和Arm登Nature，在塑料上造蘋果電腦芯片，這家芯片創企背后還有華人科學家

作者 |  高歌
編輯 |  Panken
芯東西9月30日報道，最近一段時間，英國芯片廠商PragmatIC開始頻繁出現在行業的視線中。該公司先是與Arm合作在學術頂刊Nature上發表了基于Arm Cortex-M0的柔性片上系統（SoC），之后又開始制造曾用于任天堂FC游戲機、Apple I電腦、文曲星學習機的6502處理器柔性版。和傳統芯片不同，PragmatIC制造的柔性芯片可以建立在紙、塑料或金屬箔等基板上，其成本和薄厚都優于現有芯片。事實上，PragmatIC的柔性集成電路（FlexIC）生產周期最短不到一天，每年可生產數十億片，遠超傳統晶圓廠生產效率。6502處理器創造者之一的Bill Mensch也在采訪中表達了對柔性6502處理器的興奮和激動。他認為這使6502處理器煥發了新的活力。芯東西將起底這家頻繁露臉的柔性芯片廠商，揭示柔性芯片的行業潛力。

PragmatIC前身來自曼徹斯特大學

如果要回顧PragmatIC的創建歷史，還要從一位華人學者講起。1995年，宋愛民從中科院半導體所取得博士學位。博士畢業后，他輾轉于英國格拉斯哥大學、德國慕尼黑大學和瑞典隆德大學。2002年宋愛民在曼徹斯特大學任講師職位，4年后，38歲的他被破格升為終身教授。

宋愛民的研究重點就是新型納米電子器件和可印刷薄膜電子學。2006年，他所帶領的研究小組拆分，成立了Plastic ePrint公司，專注于單層晶體管印刷系統。后來，這家公司改名為Nano ePrint，這也就是PragmatIC的前身。根據曼徹斯特大學孵化器的介紹，Nano ePrint的產品可用于電子賀卡、智能包裝、電子品牌等，并有在醫療、消費等領域應用的潛力。2009年，Nano ePrint已實現了傳統印刷電子產品10倍以上的性能和100倍以上的晶體管密度。因此，該公司獲得了英國西北地區發展署（NWDA）的資助。時任Nano ePrint首席執行官的Scott White評論道：“這項特殊的資助突出了Nano ePrint方法的新穎性以及我們的印刷可編程邏輯架構帶來的巨大市場機會。”Nano ePrint主要使用氧化鋅等金屬氧化物作為半導體材料，PET薄膜作為柔性基材，利用納米壓印光刻技術來制造平面晶體管和二極管。

這種工藝不需要介電材料或源極、漏極和柵極間的導電接觸。因此簡單的電路或功能單元可直接在半導體層內實現相鄰器件的互連，不過復雜電路則仍需要單獨的導電互連層。2010年2月，Nano ePrint宣布與英國交互式印刷電子Novalia公司合作，開發生產印刷電子賀卡，該項目獲得了3個英國地區的發展機構贊助。
搬到劍橋獲Arm、CPI支持

2010年，Scott White和Richard Price又在劍橋成立了一個團隊，這就是PragmatIC。同年，PragmatIC收購Nano ePrint，并承接了相關業務。Scott White稱，在劍橋建立新公司將帶來更多開發可能。他說：“劍橋是印刷電子的專業中心，塑料邏輯芯片、CDT、劍橋綜合知識中心和劍橋大學都位于這里。PragmatIC在劍橋擁有一個經驗豐富的核心團隊，他們在印刷電子和壓印技術的其他應用方面擁有豐富的經驗?！?/span>

2012年，PragmatIC獲得了英國國家高價值制造技術創新中心（CPI）的支持，得到了價值5000萬英鎊的生產設施，完善了FlexIC（柔性集成電路）的制造流程，提升了產品產能和良率。2015年1月，PragmatIC獲得劍橋創新資本和Arm的投資。當時的Arm首席技術官Mike Muller說：“我們支持PragmatIC，因為它們有可能顯著擴展嵌入式智能的外形和經濟性范圍。我們看到了以極低的成本在日常物品中嵌入連接性和計算能力的特別令人信服的可能性?！?/span>在獲得了Arm和劍橋創新資本投資后，PragmatIC發展逐漸走向了快車道。同年3月，PragmatIC和IMEC等6家公司、機構聯手組成了PING（印刷智能NFC游戲卡和包裝）聯盟，將柔性電子產品帶入了主流市場。該聯盟計劃在3年內建立標準化的低成本和大批量制造流程，將無線識別和電力傳輸技術其納入到紙、塑料、包裝等柔性材料中。PragmatIC在這個聯盟中主要負責將薄膜技術、柔性芯片設計和自己的大規模柔性制造工藝相結合，為實現“物聯網”鋪平道路。
Arm、IMEC紛紛入局已實現個人電腦芯片柔性化

今年7月，Arm和PragmatIC合作的論文發表在了Nature上，雙方一起制造了一種基于Arm Cortex-M0的柔性SoC PlasticARM。其研究具備將數十億個低成本、柔性芯片嵌入到日常用品中的潛力。這顆SoC面積為59.2mm2，時鐘頻率最高可達29kHz，功耗僅為21mW。PlasticARM采用了薄膜晶體管（TFT），制程為0.8μm，可以彎曲到曲率半徑為3mm的程度。

研究人員稱，PlasticARM擁有超過18000個邏輯門，比之前的柔性集成電路高12倍，是迄今為止最復雜的柔性集成電路。而在PlasticARM的基礎上，人們可以構建低成本、可彎曲的智能集成系統，實現真正的“萬物互聯”。論文發表的兩天后，Arm和PragmatIC稱，雙方正在開發用于可穿戴設備的低成本、柔性心臟監測器，其單顆監測器的生產成本只有幾美分。8月，PragmatIC宣布已制造了6502處理器的柔性版本，進一步推動了柔性處理器的應用前景。6502處理器是一款標志性的處理器，于1975年代推出。喬布斯的第一款電腦Apple I就采用了這款芯片。之后，6502處理器又被Apple II、任天堂FC游戲機等設備所采用，國內的文曲星學習機也使用了這一款芯片。PragmatIC稱，柔性6502研發出來不到兩周，就已經進行了第二次迭代，以優化引腳排列、占位面積等。這樣的速度對于傳統的硅基芯片來說幾乎是不可能的，展示了FlexIC Foundry“改變游戲規則”的能力。6502處理器的共創創始人Bill Mensch認為，PragmatIC所做的事情與當時6502處理器剛剛研發出來一樣具有變革性。PragmatIC CEO Scott White稱，他最感興趣的是為往常不會和電子聯系起來的事物添加新功能和交互性。當前物聯網市場看好的射頻識別（RFID）就是一個很好的例子。該技術可以為數十億產品添加唯一的無線識別ID，可以改善庫存控制。PragmatIC還可以將RFID擴展到更廣泛的日常用品中，比如利用這一技術對塑料瓶進行再利用和回收、對****品進行跟蹤確保安全等。

由于柔性電子學的巨大前景，斯坦福大學、IMEC、Arm等高校和公司都在研發柔性芯片。而和PragmatIC淵源頗深的華人學者宋愛民也在2010年創辦了濟南嘉源電子有限公司，專注于薄膜顯示屏、智能包裝等。當前該公司已擁有專利40余項，擁有完全自主知識產權的CFD薄膜顯示屏，具有可任意彎曲對折、待機時間長等特性。
結語：柔性芯片或可緩解芯片短缺

低成本的柔性芯片可以為萬物聯網提供基礎，讓飲料瓶、食品包裝、服裝、繃帶、可穿戴設備等日常用品實現智能化。另一方面，在全球缺芯的當下，傳統晶圓廠建設周期長達2-3年。而FlexIC Foundry的建設周期僅為12個月，生產效率也遠超傳統晶圓廠。當前短缺的芯片大部分基于成熟制程，應用于物聯網、汽車等領域。對于物聯網領域中的低成本芯片來說，柔性集成電路生產工藝可以有效地降低其成本、縮短投產周期。未來，柔性芯片工藝制程如果進一步提升，或許會對行業造成沖擊，改變很多芯片的生產模式。