Les appareils électroniques portables, comme les montres et les trackers de fitness, représentent la prochaine étape logique après que l’informatique soit passée aux appareils portables et mobiles. Ils ont suscité un intérêt pour le développement de l’électronique flexible, qui pourrait permettre aux appareils portables d’inclure des vêtements et des sacs à dos.

L’électronique flexible se heurte cependant à un problème : notre matériel de traitement est tout sauf flexible. La plupart des efforts pour résoudre ce problème ont consisté à diviser les processeurs en un ensemble d’unités plus petites, à les relier avec un câblage flexible, puis à intégrer tous les composants dans un polymère flexible. Dans une certaine mesure, c’est un retour aux premiers jours de l’informatique, lorsqu’une unité à virgule flottante pouvait résider sur une puce séparée.

Mais un groupe au sein d’ARM a maintenant réussi à mettre en œuvre l’une des plus petites conceptions embarquées de l’entreprise utilisant du silicium flexible. La conception fonctionne et exécute toutes les instructions que vous attendez d’elle, mais elle illustre également les compromis que nous devons faire pour une électronique vraiment flexible.

Pas tout à fait CMOS

L’idée de base derrière l’électronique flexible est remarquablement simple : commencer avec un substrat flexible (comme un plastique ou du papier) et l’utiliser comme substrat pour fabriquer une fine couche d’un semi-conducteur flexible. Une variété de semi-conducteurs fait l’affaire, allant des matériaux atomiquement minces aux polymères semi-conducteurs. Mais la plupart des options ne sont pas des technologies matures en ce qui concerne leur utilisation dans la fabrication de portes logiques, donc travailler avec celles-ci implique deux couches d’expérimentation : à la fois avec les matériaux eux-mêmes et avec leur flexibilité.

L’une des options un peu plus familière est le silicium amorphe. Le silicium utilisé dans la fabrication des processeurs existants est cristallin, ce qui signifie qu’il se présente sous la forme d’un réseau ordonné d’atomes. Le silicium amorphe ne l’est pas et il est donc flexible. De plus, nous savons comment travailler avec du silicium amorphe, puisque nous l’utilisons pour des choses comme les panneaux solaires et les écrans LCD. Il est également peu coûteux, en partie parce qu’il peut être transformé en transistors par des techniques plus simples que celles nécessaires pour le silicium cristallin.

L’inconvénient est que le silicium amorphe est insuffisant par un certain nombre de mesures, notamment les performances, l’efficacité énergétique et la densité des circuits. Cela dit, de nombreuses utilisations potentielles de l’électronique flexible ne nécessitent pas beaucoup de performances.

Bras en plastique

Conformément à l’idée d’exigences de performances minimales, l’équipe d’ARM a travaillé avec PragmatIC Semiconductor pour implémenter une version du processeur Cortex M0+ de l’entreprise appelée PlasticARM. Le M0+ est un processeur 32 bits qui peut exécuter un sous-ensemble simplifié des instructions « thumb » ARM ; il est optimisé pour les petites tailles et une faible consommation d’énergie, et il est généralement utilisé comme processeur embarqué.

Même selon les normes d’un processeur très simplifié, PlasticARM avait des caractéristiques distinctes qui le distinguaient. D’une part, les petits morceaux de mémoire que les processeurs utilisent pour stocker les données sur lesquelles ils travaillent (appelés « registres ») sont normalement situés dans le processeur lui-même, car cela tue les performances d’aller dans la RAM externe afin de lire cette mémoire. . Pour simplifier le processeur du PlasticARM, les registres du CPU sont situés dans une section de réserve de la RAM et le système a été conçu avec seulement 128 octets de RAM.

Le système et les applications qui s’exécutent sur PlasticARM sont contenus dans une puce ROM de 456 octets qui est également séparée du matériel de traitement. À l’heure actuelle, la ROM ne peut pas être mise à jour (elle est en lecture seule), mais l’équipe espère changer cela lors de la prochaine itération.

Toutes les pièces clés – le processeur, la RAM, la ROM et les interconnexions – ont été fabriquées à l’aide de silicium amorphe et fabriquées sur un polymère flexible. Le système dispose également de broches pour les communications hors puce.

Dans l’ensemble, les performances ne sont pas bonnes. Sa vitesse d’horloge maximale est de 29 kilohertz, et il consomme environ 20 milliwatts à cette vitesse. Cela peut sembler très peu, mais un M0+ implémenté sur du silicium standard n’a besoin que d’un peu plus de 10 microwatts pour atteindre un mégahertz. Du côté positif, il possède plus de 18 000 portes individuelles, ce qui est d’un ordre de grandeur supérieur à tout processeur flexible décrit précédemment. Il a également exécuté avec succès tous les logiciels de sa ROM, bien que les chercheurs ne l’aient testé que sans se soucier d’utiliser la caractéristique distinctive du processeur – ils ne l’ont jamais réellement fléchi.

Prochaines étapes?

Oui, l’équipe planifie déjà les prochaines étapes. Il s’agit principalement de réduire la consommation électrique, ce qui est approprié étant donné l’écart entre ses performances et celles du silicium standard. Les chercheurs espèrent également que le nombre de portes dépasse 100 000, bien qu’ils pensent que l’approche finira par atteindre un maximum quelque part en dessous d’un million de portes.

Pourquoi poursuivent-ils cela? L’article décrivant le processeur se termine en parlant du potentiel d’un « internet de tout », où des choses comme les vêtements et les emballages alimentaires peuvent avoir un processeur flexible. Le paragraphe est vague sur ce que cela nous apportera, suggérant simplement que cela «démêlerait les innovations» sans suggérer ce que ces innovations pourraient être.

Cela dit, de nombreux chercheurs travaillent sur l’intégration de capteurs et de petites sources d’alimentation dans des objets comme les vêtements, dans le but de tout surveiller, de l’activité aux expositions environnementales. Certaines de ces utilisations auront besoin de quelque chose pour gérer leur comportement et leurs données, et un processeur flexible aurait du sens là-bas.

Nature, 2021. DOI : 10.1038/s41586-021-03625-w (À propos des DOI).