Les écrans pliables ont rapidement progressé. Maintenant, les microprocesseurs se plient aussi.

Le marché des écrans pliables a connu des progrès importants ces dernières années, avec des modèles désormais accessibles au grand public. Ces appareils flexibles ont élargi les possibilités des équipements électroniques et modifié leurs usages. La recherche s’intéresse maintenant aussi aux microprocesseurs flexibles. Voici comment cette technologie pourrait contribuer à faire évoluer le marché de l’électronique.

Semi-conducteurs

Les propriétés électriques des semi-conducteurs sont étudiées depuis le XIXe siècle. Ces matériaux jouent aujourd’hui un rôle essentiel dans les diodes, les transistors et les circuits intégrés. Différents procédés de fabrication font appel notamment au silicium, au germanium et à l’arséniure de gallium. Les semi-conducteurs constituent également une base matérielle des technologies avancées, notamment l’informatique quantique, l’intelligence artificielle et le traitement des données en périphérie du réseau.

Compte tenu du rôle central des semi-conducteurs dans l’électronique moderne, de nombreux travaux cherchent à améliorer leur forme, leurs capacités et leur consommation électrique. Le microprocesseur expérimental Flex-RV, développé avec Pragmatic Semiconductor, illustre cette démarche.

Flex‑RV

Flex-RV est un démonstrateur de recherche fabriqué avec la technologie de circuits flexibles de Pragmatic Semiconductor. Ce microprocesseur 32 bits à faible coût peut fonctionner en étant courbé. Cette avancée pourrait intéresser certains objets connectés qui n’exigent qu’une faible puissance de calcul et peuvent utiliser un processeur à basse fréquence. Elle ne signifie pas que tous les appareils intelligents pourraient remplacer leurs puces actuelles par Flex-RV.

Source : Pragmatic Semiconductor — microprocesseur flexible

Étude sur les microprocesseurs flexibles

Flex-RV a été présenté dans une étude publiée dans la revue Nature. Les auteurs y décrivent sa conception, son fonctionnement, ses applications possibles et ses performances. Le processeur 32 bits repose sur l’architecture ouverte RISC-V, qui permet de concevoir des implémentations sans acquitter de redevance pour l’utilisation du jeu d’instructions. Cela ne supprime pas toutes les contraintes de fabrication ni toutes les licences associées aux composants.

Le processeur programmable exécute notamment des programmes écrits en C, avec des instructions en assembleur intégrées. L’étude examine son fonctionnement à plat et sous flexion. Les chercheurs présentent ainsi un microprocesseur RISC-V flexible sans silicium et évaluent les capacités de cette réalisation 32 bits.

Capacités d’apprentissage automatique

L’un des aspects intéressants de cette recherche est l’intégration d’un accélérateur matériel programmable pour l’apprentissage automatique. Le circuit utilise des transistors en couches minces, ou TFT, à base d’oxyde d’indium, de gallium et de zinc (IGZO). L’accélérateur prend en charge des opérations SIMD, dans lesquelles une même instruction traite plusieurs données. Il contribue notamment aux multiplications matricielles et aux opérations de post-traitement.

Test des microprocesseurs flexibles

Les ingénieurs ont testé un circuit composé de transistors IGZO en couches minces sur un substrat flexible en polyimide de 30 µm d’épaisseur. Ils l’ont monté sur un circuit imprimé flexible ultrafin de 45 µm. Pour réaliser les connexions, ils ont employé une méthode appelée « over-edge printing » (OEP), qui permet d’imprimer les interconnexions par-dessus le bord du circuit.

Le circuit a été conçu comme un système sur puce (SoC) autour du cœur de processeur Serv. Ce cœur 32 bits traite les données bit par bit, selon une architecture série. Cette approche réduit les ressources matérielles nécessaires au calcul et simplifie la conception, au prix de performances adaptées à des tâches modestes.

Le cœur Serv est intégré au microprocesseur flexible. La conception de référence Servant réunit notamment un fichier de registres, des circuits de débogage et de multiplexage, un arbitre, une interface mémoire et des entrées-sorties à usage général (GPIO). Pour Flex-RV, le programme est stocké dans une mémoire externe, accessible au moyen d’une interface série SPI spécialement adaptée. Le bloc de RAM interne de la conception de référence ne doit donc pas être confondu avec cette mémoire externe.

Résultats des microprocesseurs flexibles

Les essais ont confirmé le fonctionnement du microprocesseur flexible. Monté sur un circuit imprimé flexible, Flex-RV a atteint une fréquence de 60 kHz. Les chercheurs ont également démontré son fonctionnement sous flexion, avec des rayons de courbure de 3, 4 et 5 mm.

L’équipe a ensuite mesuré la puissance électrique consommée pendant l’exécution de programmes de test : elle était inférieure à 6 mW. Par rapport au même circuit à plat, les mesures sous flexion ont montré, selon les conditions, un ralentissement moyen maximal de 4,3 % ou une accélération de 2,3 %. Ces résultats illustrent l’intérêt de Flex-RV pour des applications flexibles à faible puissance de calcul.

Avantages des microprocesseurs flexibles

Les microprocesseurs flexibles pourraient élargir l’accès à certaines fonctions de calcul. Leur fabrication à faible coût et leur intégration dans des supports courbés permettraient d’équiper davantage d’objets. Ces possibilités restent toutefois liées aux performances requises, à l’industrialisation et au coût total du dispositif.

Coût ultra‑faible

Les chercheurs mettent en avant une fabrication visant un coût inférieur à un dollar par circuit. Cet objectif ne constitue pas un prix de vente garanti pour un produit commercial complet. Les procédés de fabrication de circuits flexibles pourraient réduire certains coûts de production et d’intégration pour des usages simples. La comparaison avec le silicium dépend néanmoins du volume, des performances et du conditionnement nécessaires.

Architecture ouverte

Flex-RV s’appuie sur le jeu d’instructions ouvert RISC-V et sur le cœur Serv. Les conceptions ouvertes facilitent la recherche, l’adaptation et la réutilisation, tout en limitant certains frais de licence. Cela ne rend pas automatiquement gratuits tous les logiciels, les procédés industriels ou les composants. RISC-V offre une autre voie de conception que les architectures x86 d’Intel (INTC ) & AMD ou les architectures d’Arm. Flex-RV ne prétend toutefois pas égaler les performances de leurs processeurs destinés aux ordinateurs.

Résistance à la flexion

Le fonctionnement sous flexion constitue un avantage important pour des objets souples ou courbés. Les puces classiques en silicium sont rigides et nécessitent un conditionnement adapté. Un circuit flexible peut offrir davantage de liberté d’intégration. Les essais présentés ne démontrent cependant pas une résistance supérieure à toutes les contraintes, comme les chocs, l’humidité ou les flexions répétées sur toute la durée de vie d’un produit.

Faibles exigences énergétiques

Flex-RV offre des capacités de calcul modestes avec une faible puissance électrique : environ 6 mW à 60 kHz dans les conditions étudiées. Cette faible consommation peut limiter la dissipation thermique et les besoins d’alimentation pour les applications concernées. L’empreinte carbone totale dépend aussi de la fabrication, de la durée de vie et de la fin de vie du dispositif ; elle ne peut pas être déduite de cette seule mesure.

Délai de mise sur le marché rapide

La technologie pourrait aussi raccourcir certaines étapes de développement et de fabrication. Des procédés adaptés aux circuits flexibles et de faibles coûts d’ingénierie non récurrents pourraient faciliter la création de nouveaux modèles. Un délai de commercialisation réduit reste une possibilité à évaluer pour chaque produit.

Stimuler l’innovation

Les microprocesseurs flexibles à faible coût pourraient ouvrir de nouvelles pistes de recherche et de conception. Ils permettraient d’ajouter des fonctions de traitement à certains objets, d’améliorer leur interconnexion et de rapprocher les travaux de l’enseignement, de la recherche universitaire et de l’industrie.

Chercheurs

Les travaux réunissent des chercheurs de Pragmatic Semiconductor, de l’université Harvard et de Qamcom. Emre Ozer, responsable du développement des processeurs chez Pragmatic, figure parmi les premiers auteurs de l’étude, avec Jedrzej Kufel et Shvetank Prakash. Le projet associe des compétences en matériel et en logiciel.

Applications possibles dans les entreprises

Plusieurs entreprises pourraient étudier cette technologie pour des produits dont la forme, le coût ou la consommation imposent des contraintes particulières. Des circuits flexibles pourraient faciliter certaines intégrations et réduire certains coûts. Il s’agit ici d’applications potentielles, sans annonce d’adoption de Flex-RV par les entreprises citées.

1. Abbott Laboratories (ABT)

Abbott Laboratories (ABT ) est un acteur du secteur de la santé fondé en 1888 par le docteur Wallace Abbott, qui produisait des granules médicinales à base d’alcaloïdes. L’entreprise s’est ensuite développée à l’international dans les médicaments et les produits de santé. Elle est également présente dans les dispositifs médicaux et les appareils portables de suivi de la santé.

ABT Graphique du prix

Abbott Laboratories propose des dispositifs portables permettant de suivre certaines données de santé. Des microprocesseurs flexibles pourraient, à terme, offrir de nouvelles possibilités d’intégration pour ce type de produit, mais aucune adoption de Flex-RV par Abbott n’est établie ici. L’article cite une capitalisation boursière d’environ 194,7 milliards de dollars à l’époque de sa rédaction ; ce montant varie avec le cours de l’action et ne suffit pas à juger de l’intérêt d’un investissement.

Avenir des microprocesseurs flexibles

Les microprocesseurs flexibles pourraient répondre à certains besoins des appareils portables et de l’électronique à usage unique. Parmi les applications envisagées figurent des emballages capables de communiquer des informations sur leur contenu et des tests médicaux intelligents jetables. Leur intérêt dépendra notamment du coût, de la fiabilité et des possibilités de traitement et de recyclage.

La généralisation de ces applications dépendra de nouveaux travaux et de leur industrialisation ; l’étude ne permet pas de garantir une adoption dans les prochains mois. Elle représente néanmoins une étape importante dans la mise au point de circuits électroniques capables de fonctionner sous flexion.

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