矽半導體時代結束？首顆塑料CPU誕生
2024-12-27 23:56:08
泡泡網CPU頻道4月4日 最近的兩個研究進展（塑料處理器和印刷存儲器）說明計算機不一定必須依賴非柔性的矽。（原文連結）
矽是我們周圍使用的計算機的基石，但是半導體器件的非柔性意味著它的使用範圍是受限的。首個塑料半導體計算機處理器和存儲器晶片的誕生表明，有一天，計算機的影響將無處不在。
歐洲的研究人員使用4000個塑料或有機電晶體來製造塑料微處理器，這種處理器大概為2平方釐米大小，置於軟性塑料薄片上。來自比利時微電子納米技術研究中心（IMEC nanotechnology center）的簡·葛諾（Jan Genoe）說，「與使用矽相比，這種材料可以降低成本，並提高柔韌性」。葛諾及其同事與荷蘭應用科學研究院（TNO research organization）和顯示器公司Polymer Vision的研究人員一起開展工作。
塑料的力量: 該微處理器由有機材料製作。和大多數矽處理器相比，它是微小的，但是更靈活更便宜。（來源：IMEC）
該處理器目前只能運行16條指令的簡單程序。命令是被硬編碼進用塑料電路蝕刻的附屬薄片上，這樣就可以與處理器連接起來「加載」程序。葛諾說，這樣處理器可以計算進來的信號的運行平均值，這是一個接收傳感器信號並進行處理的晶片要做的事情。晶片以6赫茲的速度運行（這比現在桌面機器運行速度慢100萬倍），與現在計算機處理器128位的處理能力相比，這個晶片最多只能處理8位的信息。
有機電晶體已經使用在LED顯示器和RFID標籤上，但是沒有以這樣的規模組合使用，或用於製造各種處理器。上個月，國際固態電路會議（ISSCC conference）在加利福尼亞聖何塞召開，該微處理器在會上展出。
製造這種處理器，首先要準備25微米厚的軟性塑料片，葛諾說，「就像你包午餐用的東西一樣」。然後在上面鋪上一層金電極，接著是一個絕緣塑料層和組成處理器4000個電晶體的塑料半導體。通過旋轉塑料薄片把一滴有機液體鋪成薄而均勻的一層來製作電晶體。緩慢加熱塑料薄片，液體變成在有機半導體中廣泛使用的並五苯固體（pentacene）。然後使用光刻法蝕刻並五苯層來使電晶體最終成型。
葛諾說，將來，通過印刷如油墨一樣的有機部件，可以使製作這種處理器的成本更低廉。「有研究小組致力於卷對卷或片對片的印刷」，他說，「但是在製作小尺寸非擺動（物理上不規則）的有機電晶體上，還需要有進步。」目前最好的實驗室規模的印刷方法只能交付數十倍於微米級的可靠電晶體，他說。
製造塑料電晶體處理器是一項挑戰，因為和有序矽晶體製作的電晶體不同，所有塑料電晶體的表現可能不是相同的。每個電晶體的表現有輕微差別是因為它們是由非結晶的並五苯分子所組成。葛諾說，「沒有兩個是相同的，我們必須對這種可變性進行研究並仿真，以期做出以最大機率運轉正常的設計。」
研究小組成功了，但這並不意味著塑料處理器可以在消費計算機上替換矽處理器。葛諾解釋說，「有機材料在根本上限制了運行速度。」他希望塑料處理器出現在矽處理器因為價格和物理上的非柔性而產生瓶頸的地方。低廉的有機材料與傳統矽相比，可以使塑料方法的價格降低十倍。
「你可以想像一個被輸氣管包裹著的有機氣體傳感器使用軟性微處理器清除嘈雜信號，來對任何洩露情況進行報告。」塑料電子產品使得一次性交互顯示器可以被包裝起來，例如食品，葛諾說，「你可以按下按鈕來給你吃的餅乾增加卡路裡。」
明尼蘇達大學（University of Minnesota）的有機電子研究人員張偉（音譯Wei Zhang）說，這些應用不僅僅需要塑料處理器。在有機處理器被展示的大會上，張偉及其同事展示了首個印刷有機DRAM存儲器（動態隨機存儲器），大多數電腦都是用這種存儲器和處理器一起工作用於短期數據存儲。通過噴霧器的噴嘴噴出有機「油墨」層來製作24平方微米大小的存儲器陣列，可以存儲64位的信息。
張偉說，之前的印刷存儲器是非揮發的，也就是說，即使斷電，它也會保存數據，這不適合包括了頻繁讀寫和改寫操作的短期存儲。明尼蘇達的研究小組能夠印刷DRAM是因為他們設計了一種印刷有機電晶體，使用離子凝膠絕緣物質隔離電極。
內部的離子較之傳統的非離子絕緣體可以使凝膠層存儲更多的電荷。這強調了限制有機存儲器發展的兩個問題。凝膠的電荷存儲能力降低了操作電晶體和由其構成的存儲器所需的功率；也使得存儲器中用來表示1和0的電荷等級變得明顯，並可以在不需要存儲器刷新的情況下持續一分鐘之久。
張偉說，有機印刷DRAM可用於由印刷有機LED構成的顯示器中圖像幀的短期存儲。這使得更多的設備可以用印刷方法來製造，拋棄一些矽組件，並降低成本。
把有機微處理器和存儲器結合起來的方法可以降低成本，儘管張偉說這兩者目前還不能連接。「這些工作是新技術，所以我們不能保證它們可以構造並一起工作」，張偉說，「但是在將來，這是可行的。」■
