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 22. Juni 2022, 9:30 Uhr, Johannes Hiltscher

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.

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.

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.