Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор | Портал о гаджетах и технологиях

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Есть такая фраза на счет кремниевых процессоров — что все они просто куски камня, которые мы обманом заставили думать.

Мы уже очень привыкли к носимой электронике. Мы обвешаны умными часами, браслетами, нашниками, есть даже специальные датчики в ботинках, отслеживающие правильность походки.

Cудя по всему, скоро мы будем ходить в умных очках, которые будут показывать нам полезную информацию и дополнять нашу реальность. Но какой следующий этап? Что дальше?

Тут мы безусловно можем вспомнить Илона Маска с его Neurolink и чипированием. Но это все-таки что-то из ряда вон выходящее, так сказать радикальный подход к носимой электронике следующего поколения!

А что если подумать о нашей одежде? Можно ли встроить процессор прямо нам в носки, например? Да так, чтобы носки при этом остались носками, со своим полным функционалом. Или, например, сделать линзы с маленькими дисплеями, как в фильмах о шпионах?

Что ж — сегодня мы расскажем вам о по-настоящему носимой электронике! Попытаемся разобраться, что за этим стоит и выясним — можно ли напечатать процессор на куске пластика, ткани или даже на теле человека?

Введение

Все устройстава, начиная от смартфонов и заканчивая чипами в мозг, это абсолютно разные устройства, построенные по разной архитектуре и для разных задач! Но при этом у них есть схожее свойство — все они построены на базе кремниевых подложек.

Кремний — это жесткий материал и это накладывает определенные ограничения. Одно из них — это гибкость чипа. То есть получаемые на основе кремния подложки нельзя сгибать, а это приводит к тому что мы ограничены в самих физических размерах чипа.

Только посмотрите как Apple вынуждены извращаться, чтобы запихнуть всю необходимую электронику в AirPods.

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

А ведь уже есть специальные чипы, которые крепятся на тело для отслеживания состояния здоровья.Они клеятся прямо на кожу, но при этом все равно сам по себе чип остается как маленький камень, который прикрепили к вам пластырем!

А как было бы круто, если бы чип и был тем пластырем, так же гнулся и растягивался бы как и кожа на теле!

И вот ученые подумали, а можно ли сделать процессоры на чем-то гибком.

Идея совсем не новая на самом деле. Печатать и впаивать чипы в пластик люди пытались еще в середине двадцатого века, но технологии того времени были сильно ограничены, а потом, с приходом полевых тразисторов идею вообще частично отправили в долгий ящик. На пластике размещали контакты, но не сами транзисторы и чипы.

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Конечно, тут мы сразу вспоминаем о гибких экранах, которыми нас уже не удивить! Кстати, а вы знали что первый концепт гибкого OLED-экрана был представлен учеными еще в 1992 году?

Гибкие экраны

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Но вы спросите, а почему же тогда мы уже 20 лет не пользуемся гибкими экранами? Проблема в отсутствии массовой технологии. В 1992 году показали только физическую возможность, но для создания гибкого экрана этого маловато.

Необходим был целый комплекс различных технологических решений, начиная от разработки специальных пластиков, и заканчивая новыми поколениями тонкопленочных транзисторов, подходящих для массового производства! Такими например стали LTPS транзисторы и тонкие пленки прозрачного термостойкого и проводящего пластика.

А вместе с тем, одновременно активно развивалось направление печатной электроники.

Представьте, в вашем цветном принтере разными красками можно наносить разноцветный рисунок в разных местах, так и в печатной электронике можно печатать в 2D различные контакты, транзисторы и изоляторы, фактически создавая необходимую электрическую цепочку на разных поверхностях.

И вот собрав все эти технологические решения гибкие экраны стали возможны!

Гибкие чипы

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

А когда сначала ученые, а потом уже производители наконец-то разобрались, отработали технологии, они начали думать и в других направлениях.

Ведь если можно напечатать транзисторы на гибкой пленке, то можно практически любую поверхность сделать маленьким вычислительным устройством, то есть процессором.

Основная идея гибкой электроники удивительно проста: надо начать с гибкой подложки, к примеру, специального пластика или бумаги и нанести на него тонкий слой гибкого полупроводника. Но выбор материалов сильно ограничен вследствие того, что он должен соответствовать многим условиям.

Но на данном этапе пока точно нет необходимости носить на запястье тонкую пленку с 11 миллиардами транзисторов как в Apple A14 Bionic. Требования к производительности у таких чипов минимальны. Поэтому количество транзисторов не должно быть огромным.

И тут мы приходим к недавней разработке ребят из ARM совместно с компанией PragmatIC, которые опубликовали свою работу в журнале Nature. Они показывают, что гибкие и главное — полноценные процессоры не только возможны, но скоро уже могут начать появляться на рынке.

Гибкий процессор ARM

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Итак, чтобы вы поняли о чем мы тут говорим. Это пока слабый, но абсолютно гнущийся процессор под названием PlasticArm. Его площадь составляет 59,2 квадратных миллиметров и он содержит 56 340 транзисторов и резисторов или 18 334 NAND2-эквивалентных затворов!

Это по крайней мере в 12 раз больше, чем прошлый рекордсмен от той же компании PragmatIC, где было всего 4 000 транзисторов.

Микропроцессор работает с частотой до 29 кГц. Напоминаю, что процессоры Intel 11-го поколения в режиме TurboBoost выдают 5,3 ГГц. То есть разница частот — примерно 180 тысяч раз.

Однако, чтобы быть предельно ясным, даже при двенадцатикратном увеличении количества транзисторов по сравнению со своим ближайшим собратом, новый PlasticARM ни в коем случае не является мощным процессором.

Система использует 28 выводов, которые включают в себя тактовый генератор, сброс, питание и другие отладочные выводы. Проще говоря, это полнофункциональный 32-битный ARM-чипсет.

Не только процессор, но и память, ввод/вывод, и все остальное. Подключите к нему несколько подходящих и даже гибких датчиков, и перед вами откроются огромные возможности.

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Он использует собственную архитектуру Cortex-M, основанную на ARM-Cortex-M0+ начального уровня, что делает его совместимым с процессорами этого же класса и их кодом.

Это позволяет ему быть действительно универсальным, то есть его можно использовать для кучи разных задач.

Сам же его разработчик говорил, что “безусловно процессор слабый, но я бы использовал его в упаковке салата, чтобы отслеживать то, насколько он свежий!”

Вы поняли о чем речь? На упаковках салата будет наклеен процессор, который отслеживает его свежесть, то есть это одноразовый процессор, который потом окажется в мусорке!

Ну и конечно он сильно больше, чем обычный процессор с теми же параметрами. Ширина затвора там около 0.8 микрометра, что в несколько десятков раз больше чем у обычных процессоров.

Кроме того данный процессор потребляет сильно больше электроэнергии — 20 милливатт. Это может показаться очень незначительным энергопотреблением, но M0 + архитектура, реализованная на стандартном кремнии, требует чуть более 10 микроватт. Разница огромная. Но учитывайте, что это только тестовый образец. При этом он производится по схожим технологиям — то есть фотолитография и осаждение из газовой фазы.

Основной полупроводник там — это известный нам по LTPO экранам IGZO, то есть оксид индия, цинка и галия, а сам процессор состоит всего из 30 слоев из которых всего 4 являются металлами. При этом суммарная толщина всего 30 микрометров, что тоньше человеческого волоса!

Да и стоимость производства может быть очень низкой из-за простого процесса и отсутствия необходимости использовать дорогой монокристаллический кремний! При правильном масштабировании производства тут идет разговор об одном центе за чип или даже меньше!

Будущее и выводы

 

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Но куда же создание такого абсолютно гнущегося, но полноценного процессора нас ведет?

На самом деле, пока что не очень очевидно, но вполне возможно, что мы очень скоро получим возможность печати чипов и микроконтроллеров прямо с нужными датчиками, например, на одежде, бумаге или на пластиковых упаковках.

Штаны которые говорят, что они грязные! Или местоположение всегда потерянного второго носка! Можно делать умные тату с подсветкой и не только…

Конечно есть и более полезное использование — медицина. В целом, если напечатать чип на органически-совместимом материале, то можно будет крепить его на органы, чтобы они считывали показатели сердечного ритма, например, или вводили лекарство точно по расписанию.

Человечество явно придумает куда можно прикрутить эти чипы так, чтобы это стало нам с вами удобно! Ну и до маленького экрана в линзе для глаз, который создает вам дополнительную реальность тоже недалеко осталось! Будем следить, интересно к чему приведет эта технология!

Post Views:
127