Flexible Elektronik: Prozessor aus Kunststoff für 1 Cent

Ein sehr einfaches CPU-Design soll Computer auf Alltagsgegenständen ermöglichen. Es ist für flexible Träger optimiert und günstig herstellbar.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Ein Wafer voller 4-Bit-Prozessoren, rechts das Bild eines Flexicore4 mit Pads für Ein- und Ausgabe sowie Stromversorgung
Ein Wafer voller 4-Bit-Prozessoren, rechts das Bild eines Flexicore4 mit Pads für Ein- und Ausgabe sowie Stromversorgung (Bild: University of Illinois/PragmatIC Semiconductor)

Das smarte Etikett, das die Lagertemperatur der Milchflasche protokolliert: Solche Alltags-Computer liegen seit Jahrzehnten in naher Zukunft. Bislang sind sie allerdings stets an der Silizium-Technik gescheitert, die Chips waren zu groß, zu teuer und nicht flexibel. Diese Probleme will die Forschungsgruppe um Rakesh Kumar von der University of Illinois in Urbana-Champaign gelöst haben. Zusammen mit Pragmatic Semiconductor aus Großbritannien entwickelten sie einen flexiblen Mikrokontroller mit Stückkosten unter einem Cent.

Stellenmarkt
  1. Systemadministrator (m/w/d) iSeries
    Hugo Benzing GmbH & Co. KG, Korntal-Münchingen
  2. Mitarbeiter/in Projektmanagement (m/w/d)
    Hochschule Furtwangen, Tuttlingen
Detailsuche

Gefertigt wird der Chip nicht auf Silizium, sondern auf Polyimid, einem hitzebeständigen Kunststoff. Damit ist er besonders flexibel, er hält Biegeradien bis 3 Millimeter aus. Das ist so weit nichts Neues, Arm zeigte bereits 2021 den Plasticarm, der ebenfalls mit Pragmatic auf Polyimid gefertigt wurde. Auch das Herstellungsverfahren ist gleich: Es wird Igzo-Material (Indium-Gallium-Zink-Oxid) verwendet, gefertigt wird mit 800 nm Strukturgröße.

Eigentlich wird das Verfahren zur Herstellung von Dünnschichttransistoren (Thin Film Transistor, TFT) für LC-Displays genutzt. Für Logikschaltungen ist die Igzo-Technik vergleichsweise schlecht geeignet. Hierauf gehen Kumar und seine Mitautoren in einem Paper, das auf dem International Symposium on Computer Architecture vorgestellt wird, näher ein. Plasticarm hatte demzufolge eine schlechte Ausbeute (Yield), da viele der mit 56.340 Transistoren recht komplexen Prozessoren nicht funktionierten.

Sehr einfacher Prozessor sorgt für gute Ausbeute

Um eine hohe Ausbeute zu erreichen, entwickelte das Team ein besonders einfaches Prozessor-Design. Die Flexicore4 genannte Architektur ähnelt Intels erstem Mikroprozessor 4004 und kommt mit 2.104 Transistoren aus. Aufgrund der wenigen Transistoren funktionierten bei einer Betriebsspannung von 4,5 V 81 Prozent der auf einem 200-mm-Wafer gefertigten Chips - mit einem Takt von 12,5 kHz. Allerdings wurden knapp 30 Prozent der Chips direkt aussortiert, da der Rand des Wafers fehleranfälliger ist - werden sie einbezogen sinkt die Ausbeute auf 63 Prozent.

Golem Karrierewelt
  1. Adobe Photoshop für Social Media Anwendungen: virtueller Zwei-Tage-Workshop
    27./28.07.2022, virtuell
  2. Adobe Premiere Pro Aufbaukurs: virtueller Zwei-Tage-Workshop
    14./15.07.2022, Virtuell
Weitere IT-Trainings

Um die geringe Transistorzahl zu erreichen, musste allerdings an allen Enden gespart werden. So verarbeitet der Flexicore4 lediglich 4-Bit-große Zahlen und ist auf neun Befehle beschränkt: Speicher lesen/schreiben, bedingter Sprung, Addition, Xor oder Nand, wobei der erste Operand immer der Akkumulator ist. Der zweite Operand ist entweder in der Anweisung enthalten (Immediate) oder wird aus dem Speicher gelesen. Jede Anweisung wird innerhalb eines Takts ausgeführt, um die Register zwischen Pipeline-Stufen zu sparen, es gibt lediglich ein Akkumulator-Register. Der Programmzähler umfasst 7 Bit, Programme sind also auf 128 Befehle beschränkt und werden aus einem externen Speicher gelesen. Für Variablen sind lediglich acht 4-Bit-Worte an internem Speicher vorgesehen. Ein externer RAM ist nicht vorgesehen, da er Produkte verteuern würde.

Für Sensoren reicht's

Nach Einschätzung von Kumar und Kollegen benötigen aber viele Aufgaben, bei denen Chips im Alltag zum Einsatz kommen könnten, nicht einmal 8-Bit-CPUs. Besonders wichtig ist hingegen der Preis. Und der ist beim Flexicore4 aufgrund der geringen Größe von 5,56 mm² und der hohen Ausbeute sehr gering, für einen US-Cent soll sich ein Chip fertigen lassen. Das Team hat neben dem Flexicore4 auch noch eine erweiterte 4-Bit- sowie eine 8-Bit-Variante erprobt. Die Ausbeute war allerdings trotz lediglich zehn bis fünfzehn Prozent mehr Transistoren signifikant schlechter (Flexicore8: 57 Prozent). Ob daraus tatsächlich ein Produkt entsteht, ist noch unklar - und ob ein Computer auf der Milch wünschenswert ist, ist eine ganz andere Frage.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed


Sterling-Archer 23. Jun 2022 / Themenstart

jetzt bitte nicht so tun als ob es nicht von vorteil wäre, wenn man aus logdaten datum...

Dakkaron 23. Jun 2022 / Themenstart

RFID Tags haben aber auch einen kleinen programmierbaren Siliziumchip drauf. Der ist nur...

Fony 22. Jun 2022 / Themenstart

Wird nix mit Tesa ist nur ROM möglich, schade ;)

Kommentieren



Aktuell auf der Startseite von Golem.de
SFConservancy
Open-Source-Entwickler sollen Github wegen Copilot verlassen

Ähnlich wie schon vor Jahrzehnten mit Sourceforge sollen Open-Source-Projekte nun auch Github verlassen.

SFConservancy: Open-Source-Entwickler sollen Github wegen Copilot verlassen
Artikel
  1. Wärmeversorgung: Berlin baut Thermoskanne gegen Gasnotstand
    Wärmeversorgung
    Berlin baut Thermoskanne gegen Gasnotstand

    Der Versorger Vattenfall baut in Berlin einen riesigen Warmwasserspeicher, um Häuser im Winter heizen zu können. Das könnte beim möglichen Gasnotstand helfen.

  2. Wilhelm.tel: Das kann die Telekom gar nicht so schnell nachmachen
    Wilhelm.tel
    Das kann die Telekom gar nicht so schnell nachmachen

    Der streitbare Wilhelm.tel-Chef Theo Weirich hat seine Infrastruktur für die Telekom geöffnet. Damit werde das eigene FTTH-Netz aber nicht entwertet.

  3. Chrome OS Flex: Das Apple Chromebook
    Chrome OS Flex
    Das Apple Chromebook

    Ein zehn Jahre altes Notebook lässt sich mit Chrome OS Flex wieder flott machen. Wir haben Googles Betriebssystem ausprobiert und waren begeistert.
    Ein Erfahrungsbericht von Martin Wolf

Du willst dich mit Golem.de beruflich verändern oder weiterbilden?
Zum Stellenmarkt
Zur Akademie
Zum Coaching
  • Schnäppchen, Rabatte und Top-Angebote
    Die besten Deals des Tages
    Daily Deals • MSI RTX 3080 12GB günstig wie nie: 949€ • AMD Ryzen 7 günstig wie nie: 259€ • Der beste 2.000€-Gaming-PC • Cooler Master 34" UWQHD 144 Hz günstig wie nie: 467,85€ • Asus RX 6900 XT OC günstig wie nie: 1.049€ • Mindstar (Gigabyte RTX 3060 399€) • Galaxy Watch3 45 mm 119€ [Werbung]
    •  /