Тему с гибкими чипами начали разгонять еще в 2010-х, но до сих пор эта разработка вызывает больше вопросов, чем ответов. Мы решили разобраться, кто и когда стоял у истоков, как менялись технологии и правда ли гибкие чипы можно использовать для мониторинга всего: от срока годности продукта до состояния здоровья человека.

С чего всё начиналось

Традиционные чипы для электронных устройств производят на базе кремниевых подложек. Но кремний — жесткий материал, поэтому такие подложки нельзя сгибать. При этом процессор нужен и суперкомпьютеру, и беспроводным наушникам. И если в сервер жесткий чип встанет легко, то с мелкими устройствами вроде наушников или умных часов разработчикам приходится сложнее. Тогда ученые подумали, что чипы можно сделать гибкими. Вот как продвигалась работа.

2011 год

Толщина самых тонких экспериментальных кремниевых чипов на этот момент — 2 нм. В Федеральной политехнической школе Лозанны создали компьютерный чип из молибденита. Толщина одного слоя этого материала — всего 3 атома, а значит, чипы можно делать в три раза тоньше самых тонких кремниевых. Материал лучше, чем кремний, улавливает электрические сигналы. Именно поэтому ученые предположили, что транзисторы из молибденита будут обладать более высокой энергоэффективностью, а это открывает перспективы для производства более сложных чипов.

Еще одно преимущество молибденита — гибкость, так что из него можно создавать гибкие чипы. Казалось, что однажды на базе таких чипов сделают компьютер, который можно будет скручивать, или эластичные устройства, которые получится прикреплять к коже, и они будут повторять изгибы человеческого тела.

Швейцарские ученые еще восемь лет работали над чипами из молибденита, но с 2019 года новостей о разработках нет.

В том же 2011 году бельгийские ученые на выставке ISSCC представили первый в мире процессор на органических полупроводниках. У чипа было 4000 транзисторов и 8-битная логика. По мощности процессор был аналогичен кремниевому чипу 70-х годов, но у него было важно преимущество: он гнулся. Предполагалось, что чип можно будет использовать в дисплеях и других устройствах — например, чтобы узнавать, годны ли продукты к употреблению. К тому же ученые заявляли, что гибкие чипы примерно в 10 раз дешевле кремниевых и надо всего-навсего наладить массовое производство сырья для их изготовления. Никто, конечно же, ничего не наладил.

2017 год

В Австрии создали примитивный микропроцессор на основе всё того же молибденита. У микропроцессора было 115 транзисторов, а по размерам он оказался в сотни раз больше тех, что устанавливали в процессоры Intel и ARM того времени.

Разработчики были уверены, что увеличить производительность чипа не составит труда. Они полагали, что их версию гибкого микропроцессора будет проще использовать в носимых устройствах и сенсорных экранах. Если смартфон с таким дисплеем упадет, то не разобьется, а просто погнется. Но в Австрии тема с гибкими чипами из молибденита тоже не зашла — новостей о свежих разработках нет.

2021 год

Если про разработки швейцарских, бельгийских и австрийских исследователей уже давно ничего не слышно, то «британские ученые» из ARM постарались. Впервые они выпустили свой прототип гибкого чипа в 2015 году. Но, по словам разработчиков, тогда общий уровень развития технологий помешал им создать полноценный экспериментальный образец. Только в 2021 году они представили новый гибкий чип — функциональный процессор PlasticARM.

Вместо кремния и молибденита для подложки разработчики использовали полиамид, а транзисторы сделали по технологии TFT — тонкопленочными металл-оксидными. Чип площадью почти 60 мм2 — это 32-битная версия микроконтроллера Cortex-M0 от ARM, которую оснастили 128 байтами оперативной памяти и 456 байтами ПЗУ. По словам разработчиков, новый чип как минимум в 12 раз сложнее, чем любой из его предшественников.

Процессор работает на частоте до 29 кГц, а энергии потребляет не больше 21 мВт — и это существенное достижение для гибких чипов. Хотя, если сравнить PlasticARM с «негибким» процессором ARM Cortex-M0+, сравнение будет не в пользу первого. ARM Cortex-M0+ на частоте до 1 МГц потребляет почти в два раза меньше.

После ряда испытаний разработчики ARM заявили, что чип выполнил все тестовые программы и полностью функционален. По их мнению, даже при небольшой производительности гибкий чип можно будет применять в повседневных ситуациях — например, контролировать качество молока, алкоголя и парфюмерии, использовать при производстве одежды и носимых пластырей. А возможно это в том числе благодаря низкой себестоимости производства. Правда, разработчики пока не сказали, сколько может стоить такой чип.

Последние разработки

Гибкие чипы и устройства с ними всё еще не вышли в массовое производство, поэтому ученые и инженеры продолжают работать в этом направлении.

25 сентября 2024 года британский производитель микросхем Pragmatic Semiconductor представил 32-битный микропроцессор, который полностью функционален, даже если его скрутить.

Flex-RV работает на основе открытого набора команд RISC-V. Тонкопленочные транзисторы из оксида индия, галлия и цинка (IGZO) разместили на гибкой полиамидной подложке и дополнили функциями машинного обучения. Разработчики считают, что создали сверхбюджетный вариант микропроцессора, который будет совместим со многими устройствами.

Для производства гибкого чипа применяли полиамидную подложку толщиной 0,6 мкм. У тестового образца размер матрицы 9 × 6 мм и 20 контактов. Площадь сердечника каждого микропроцессора — 17,5 мм2, а количество элементов — 12 596. Потребляемая мощность процессора — 5,8 МВт при напряжении 3 В. Архитектура Flex-RV предусматривает подключение внешних устройств, например дисплея.

В отличие от Flex-RV все предыдущие версии гибких чипов были непрограммируемыми. А на процессоре Pragmatic Semiconductor можно запускать произвольные программы, написанные на языках высокого уровня, например C. Также можно расширять ISA новыми инструкциями, при этом процессор остается совместимым с RISC-V.

Чипы тестировали в состоянии покоя, а потом при механических нагрузках. В первом случае средняя тактовая частота составила 52 кГц, а максимальная — 60.

Чтобы проверить функциональность чипа при механической нагрузке, его обматывали вокруг гладкого цилиндра до тех пор, пока чип не изогнулся до радиуса кривизны цилиндра. Процессор протестировали на 3-, 4- и 5-миллиметровых деталях. Эксперимент показал, что чип корректно работает при радиусе изгиба 3 мм, при этом в производительности теряет всего 2,3–4,3%. Показатели тактовой частоты менялись незначительно.

В Pragmatic Semiconductor считают, что новый гибкий чип будет востребован в распространенных потребительских товарах:

• интеллектуальной упаковке и этикетках — чтобы отслеживать качество содержимого и упростить поиск позиций на складах;

• умных пластырях — чтобы вовремя вводить подкожно лекарство людям, которые постоянно нуждаются в таких процедурах;

• одноразовых медицинских имплантах и тест-полосках — чтобы контролировать состояние организма, например уровень глюкозы;

• умной одежде — чтобы отслеживать жизненно важные показатели организма и физическую активность. Например, канадская компания Hexoskin уже производит майки с датчиками, которые контролируют качество дыхания, физическую активность человека, показатели сердечного ритма.

В начале 2024 года Pragmatic Semiconductor запустила собственное производство гибких чипов, стоимость которых составит около одного доллара. Так что, возможно, скоро мы и правда увидим на прилавках умные пакеты с молоком, которые будут передавать в базу данные о том, что оно скисло.

Так что нас ждет?

В таблице сравнили самые свежие гибкие чипы с чипом A16 Bionic, который стоит в iPhone 14 Pro.

Понятно, что производительность традиционных чипов в тысячи раз выше, чем у гибких. Но существующие образцы гибких и не претендуют на то, чтобы работать в смартфонах и других сложных устройствах. А вот для повседневных задач в медицине, ретейле, логистике гибкие микропроцессоры вполне годятся. Например, такие использовал австралийский стартап в своей разработке — электронной повязке на голову для людей с СДВГ. Она обеспечивает легкую электростимуляцию мозга и может заменить лекарственные препараты, которые принимают при СДВГ. 

Эксперты, которые изучают гибкую электронику, считают, что у технологии большое будущее. Чипы будут использовать в смартфонах, и тогда их можно носить как широкий браслет на запястье. Или в робототехнике, чтобы роботы лучше чувствовали окружающую среду и собственное тело — почти так же, как человек. 

А вот потенциальные пользователи устройств с гибкими чипами реагируют по-разному. Например, российские пользователи опасаются, что умные товары будут следить за ними и «впаривать» рекламу:

Европейцы же больше переживают за экологичность и возможность переработки гибких чипов, особенно если их будут использовать в упаковке и медицинских изделиях, ведь в таком случае чипы будут практически одноразовыми.

На взгляд команды mClouds, гибкие чипы — это не такая и фантастика, они могут массово выйти на рынок уже через пару лет. А вы что думаете по этому поводу?