Imec, KU Leuven und PragmatIC Semiconductor demonstrieren schnellsten flexiblen 8-Bit-Mikroprozessor für stromsparende Anwendungen

Der flexible 8-Bit-Mikroprozessor von Imec neben einer 2-Euro-Münze.

Screenshot des Snake-Spiels in Aktion und Zeitangaben.

Diese Woche stellen imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, die KU Leuven und PragmatIC Semiconductor, ein weltweit führendes Unternehmen für flexible Elektronik, auf der 2022 International Solid-State Circuits Conference (2022 ISSCC) den schnellsten 8-Bit-Mikroprozessor in flexibler 0,8-µm-Metalloxid-Technologie vor, der in der Lage ist, komplexen Assemblercode in Echtzeit auszuführen. Der Mikroprozessor wurde mit einem einzigartigen digitalen Designfluss umgesetzt, der die Erstellung einer neuen Standardzellenbibliothek für Metalloxid-Dünnschichttechnologien ermöglichte, die für die Entwicklung einer breiten Palette von LoT-Anwendungen relevant ist. Die robuste Dünnschichttechnologie von PragmatIC Semiconductor, dem Foundry-Partner von imec, war der Schlüssel zur Integration der etwa 16.000 Metalloxid-Dünnschichttransistoren auf einem 24,9 mm2 großen flexiblen Chip.

Flexible Elektronik auf der Basis von Dünnfilmtransistoren wird gegenüber Si-CMOS-basierter Elektronik für Anwendungen bevorzugt, die kostengünstige, dünne, flexible und/oder biegsame Geräte erfordern. Die Technologie hat sich bereits durchgesetzt, z. B. bei Sensoren für Gesundheitspatches und RFID-Etiketten sowie als Treiber für Flachbildschirme. Was jetzt noch fehlt, ist ein flexibler Mikroprozessor, der komplexere Signalverarbeitungsberechnungen durchführen kann und so eine breite Palette von IoT-Anwendungen um Rechenfunktionen erweitert.

Imec hat einen flexiblen 8-Bit-Mikroprozessor in 0,8-µm-Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO)-Transistortechnologie entwickelt, der solche komplexen Berechnungen durchführen kann. Kris Myny, leitender Wissenschaftler am imec: "Unser flexibler Mikroprozessor weist hervorragende Eigenschaften für IoT-Anwendungen auf, darunter hohe Geschwindigkeit (71,4 kHz maximale Taktfrequenz), geringe Leistungsaufnahme (11,6 mW bei 10 kHz, 134,9 mW bei maximaler Taktfrequenz) und hohe Transistorintegrationsdichte (~16.000 Transistoren mit 0,8 µm Gate-Länge auf einem 24,9 mm2 großen Chip). Außerdem werden wir auf der ISSCC 2022 den einwandfreien Betrieb unserer Schaltung in Echtzeit demonstrieren, indem wir den komplexen Assemblercode des beliebten Spiels Snake ausführen."

Mit dem neuen Mikroprozessor hat imec wichtige Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Design von unipolaren Systemen angegangen. Kris Myny: "Metalloxid-Dünnschichttransistoren auf der Basis von IGZO sind von Natur aus vom n-Typ. Dies führt zu Schaltungen mit einem höheren (statischen) Stromverbrauch im Vergleich zu komplementären Technologien. Um dieses Problem zu lösen, haben wir unseren eigenen Design-Flow entwickelt, ausgehend von einer Open-Source-Datei des MOS6502-Mikroprozessors - einem der meistgenutzten Mikroprozessoren, die je entwickelt wurden. Wir haben die Anzahl der Zellen und Logikgatter so gestaltet, dass wir das optimale Design für unseren flexiblen 6502-Mikroprozessor in Bezug auf Fläche, Leistung und Geschwindigkeit erhalten haben - unter Einsatz von Pseudo-CMOS für unsere Logikfamilie. Mit diesem einzigartigen Designprozess konnten wir eine neue Standardzellenbibliothek für die Metalloxid-Dünnschichttechnologie erstellen, die für innovative Anwendungen auf der Grundlage der Metalloxid-Dünnschichttechnologie verwendet werden kann. Diese Arbeit ist ein wunderbarer Abschluss meines ERC Starting Grant, das darauf abzielte, neue Perspektiven auf dem Gebiet der Dünnschichttransistortechnologie zu eröffnen.

Für die Herstellung des flexiblen Mikroprozessors hat sich imec mit dem Foundry-Partner PragmatIC zusammengeschlossen, dessen einzigartige FlexIC-Foundry® ein schnelles Prototyping und eine ertragreiche Serienfertigung von flexiblen integrierten Schaltungen ermöglicht. Brian Cobb, VP Product Development bei PragmatIC: "Bis vor kurzem gab es keine ausgereifte und robuste Technologie, um eine so große Anzahl von Dünnfilmtransistoren mit ausreichender Ausbeute zu integrieren. Unsere bahnbrechende FlexLogIC®-Fertigung ermöglicht jetzt die schnelle Umsetzung solch komplexer neuer Designs zu extrem niedrigen Kosten und liefert ICs auf dünnen und flexiblen Wafern. Unser FlexIC-Foundry-Service trägt dazu bei, dass Designteams wie das von imec das Spektrum der Designs und Anwendungsfälle für flexible Elektronik erweitern können."

Diese Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant FLICs unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 716426 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union durchgeführt.