Taittuvat näytöt ovat kehittyneet nopeasti. Nyt mikroprosessoritkin taipuvat.

Taittuvat näytöt ovat kehittyneet nopeasti ja päätyneet kuluttajalaitteisiin. Myös joustavia mikroprosessoreita tutkitaan, jotta laskentaa voitaisiin tuoda ohuille ja taipuville alustoille. Tässä tarkastellaan vuonna 2024 esiteltyä Flex-RV-tutkimusta ja sen mahdollisia käyttökohteita.

Puolijohteet

Puolijohteet ovat materiaaleja, joiden sähköisiä ominaisuuksia voidaan hyödyntää esimerkiksi diodeissa, transistoreissa ja integroiduissa piireissä. Tavallisia materiaaleja ovat pii, germanium ja galliumarsenidi. Puolijohteita ei siis «keksitty» yhtenä valmiina laitteena.

Elektroniikan kehityksessä pyritään parantamaan muun muassa suorituskykyä, muotoa ja energiankulutusta. Pragmatic Semiconductorin Flex-RV on esimerkki tutkimuksesta, jossa prosessorin fyysinen taipuvuus on keskeinen tavoite.

Flex‑RV

Flex‑RV on joustavalle alustalle valmistettu 32-bittinen RISC-V-mikroprosessorin tutkimusprototyyppi. Sen esittely ei yksin tarkoita valmiin prosessorituotteen laajaa kaupallista saatavuutta. Mahdollisia käyttökohteita ovat älypakkaukset, anturit ja puettavat laitteet, joissa suuri laskentanopeus ei ole välttämätön.

Lähde: Pragmatic Semiconductor, joustava mikroprosessori

Joustavien mikroprosessoreiden tutkimus

Flex-RV esiteltiin vuonna 2024 Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa. Prosessori perustuu avoimeen RISC-V-käskykantaan, ja sen ohjelmia voidaan kääntää esimerkiksi C-kielestä.

Tutkijat testasivat toimintaa sekä suorana että taivutettuna. Kyse on ilman tavanomaisia piitransistoreita toteutetusta rakenteesta, joka käyttää IGZO-ohutkalvotransistoreita. Tämä ei tarkoita, että kaikki laitteen materiaalit tai koko valmistusketju olisivat avoimia tai ilman käyttörajoituksia.

Koneoppimiskiihdytin

Prosessoriin integroitiin ohjelmoitava koneoppimisen laitteistokiihdytin. IGZO eli indium-gallium-sinkkioksidi toimii ohutkalvotransistorien puolijohdemateriaalina. Kiihdyttimen SIMD-rakenne käsittelee useita tietoja samalla käskyllä ja tukee muun muassa matriisilaskentaa.

Joustavien mikroprosessoreiden testi

Siru valmistettiin 30 µm:n paksuiselle polyimidialustalle ja liitettiin 45 µm:n paksuiseen joustavaan piirilevyyn. Liitännässä käytettiin tätä työtä varten kehitettyä over-edge printing- eli OEP-menetelmää.

Järjestelmäpiiri rakennettiin avoimen Serv-suoritinytimen ympärille. Serv käsittelee 32-bittisiä laskutoimituksia bitti kerrallaan. Tämä vähentää laitteiston monimutkaisuutta, mutta tapahtuu suorituskyvyn kustannuksella.

Järjestelmään kuuluvat suoritinytimen lisäksi muun muassa rekisteristö, muisti- ja GPIO-liitännät, ohjauslogiikka sekä koneoppimiskiihdytin. Ulkoisesta muistista haettavaa ohjelmakoodia varten kehitettiin myös mukautettu SPI-liitäntä. Serv on tässä järjestelmän suoritinydin, ei erillinen «Server CPU», joka liitettäisiin toiseen prosessoriin.

Joustavien mikroprosessoreiden tulokset

Flex-RV toimi enimmillään 60 kHz:n kellotaajuudella ja alle 6 mW:n tehonkulutuksella. Se suoritti ohjelmia myös taivutettuna kolmen millimetrin kaarevuussäteeseen.

Taivutuskokeissa kellotaajuuden muutos oli keskimäärin 2,3%:n nopeutuminen vetotilassa ja 4,3%:n hidastuminen puristustilassa verrattuna saman sirun suoraan asentoon. Vertailu ei ollut tavalliseen piiprosessoriin. Tulokset osoittavat toiminnan säilyneen kokeen olosuhteissa, eivät muuttumatonta suorituskykyä kaikissa taivutuksissa.

Joustavien mikroprosessoreiden hyödyt

Joustavat mikroprosessorit voivat mahdollistaa laskennan yhdistämisen tuotteisiin, joissa jäykkä sirupaketti tai kustannukset ovat este. Soveltuvuus riippuu kuitenkin laskentatarpeesta, käyttöiästä, valmistuksesta ja muista laitevaatimuksista.

Erittäin alhainen hinta

Tutkijat kuvaavat Flex-RV:tä alle dollarin prosessoriksi. Tätä ei pidä tulkita kaikkien valmiiden laitteiden tai koko valmistusprosessin hinnaksi. Joustava toteutus voi pienentää tiettyjen käyttökohteiden kustannuksia, mutta se ei korvaa nopeita piiprosessoreita kaikissa tehtävissä. Piiprosessorien kustannukset eivät myöskään johdu pääasiassa niiden sovittamisesta tiettyyn fyysiseen paikkaan. (INTC )

Avoin lähdekoodi

RISC-V on avoin käskykanta, jota voidaan laajentaa. Tämä voi helpottaa tutkimusta ja vähentää käskykannan lisensointiin liittyviä esteitä. Koko sirun suunnittelu, valmistus, työkalut ja mahdolliset muut lisenssit aiheuttavat silti kustannuksia. Flex-RV:n tutkimusprototyyppiä ei pidä rinnastaa suorituskyvyltään Intelin, AMD:n tai Armin nykyaikaisiin yleiskäyttöisiin prosessoreihin.

Taipuvuus ja käyttövarmuus

Joustava alusta antaa uusia mahdollisuuksia elektroniikan sijoitteluun. Taipuminen voi olla hyödyllistä esimerkiksi iholle kiinnitettävissä laitteissa. Tutkimuksen taivutuskokeet eivät kuitenkaan osoita rajatonta mekaanista kestävyyttä tai parempaa luotettavuutta kaikissa ympäristöissä.

Alhaiset energiavaatimukset

Tutkimuksessa mitattu alle 6 mW:n teho on pieni absoluuttinen arvo, mutta sitä on arvioitava suhteessa tehtyyn laskentaan ja käyttöaikaan. Pieni tehonkulutus ei yksin todista pienempää koko elinkaaren hiilijalanjälkeä.

Nopea läpimenoaika

Valmistusprosessin yksinkertaistaminen voi olla hyödyllistä, mutta toimitusaika ja kustannukset riippuvat suunnittelusta, tuotantomääristä ja laadunvarmistuksesta. Uusi sirumalli ei poista kertaluonteisia suunnittelu- ja käyttöönottokustannuksia.

Edistää innovaatiota

Joustava ja ohjelmoitava prosessori voi avata uusia tutkimus- ja tuotekehitysmahdollisuuksia. Mahdollisten älypakkausten ja terveysanturien hyöty on silti osoitettava käytännön sovelluksissa.

Tutkijat

Tutkimukseen osallistui Pragmatic Semiconductorin, Harvardin yliopiston ja Qamcomin tutkijoita ja kehittäjiä. Emre Ozer, Jedrzej Kufel ja Shvetank Prakash on merkitty yhtä suuren panoksen antaneiksi tekijöiksi. Työ yhdisti suoritinarkkitehtuurin, koneoppimiskiihdyttimen, valmistuksen ja testauksen osaamista.

Mahdollisia teollisia käyttökohteita

Puettava elektroniikka ja älypakkaukset ovat mahdollisia käyttökohteita. Seuraava yritys toimii terveydenhuollon teknologioiden alalla, mutta tämä ei osoita sen käyttävän Flex-RV:tä tai saavuttavan sillä tiettyjä kustannussäästöjä.

1. Abbott Laboratories (ABT)

Abbott Laboratories (ABT ) on vuonna 1888 perustettu terveydenhuoltoalan yritys. Sen tuotteisiin kuuluu muun muassa lääkinnällisiä laitteita ja jatkuvaan glukoosinseurantaan tarkoitettuja järjestelmiä.

ABT Hintakaavio

Joustavat prosessorit voisivat tulevaisuudessa olla kiinnostavia joissakin puettavissa terveyslaitteissa. Soveltuvuus edellyttää kuitenkin suorituskyvyn, turvallisuuden ja luotettavuuden testaamista. Abbottin markkina-arvo tai alan kasvu ei yksin tee osakkeesta sopivaa jokaiseen sijoitussalkkuun.

Joustavien mikroprosessoreiden tulevaisuus

Mahdollisia sovelluksia ovat tuotteesta tietoa välittävät älypakkaukset, puettavat anturit ja kertakäyttöiset testit. Kaikki eivät tarvitse nopeaa prosessoria, mutta jokaisessa sovelluksessa on omat teho-, hinta- ja turvallisuusvaatimuksensa.

Flex-RV osoittaa, että ohjelmoitava prosessori voi toimia myös taivutettuna. Tutkimus on edistysaskel joustavassa elektroniikassa, mutta laaja käyttöönotto muutamassa kuukaudessa ei seuraa siitä automaattisesti.

Tutustu muihin laskentatekniikan projekteihin täällä.