Un nuovo processore in plastica a meno di un centesimo al pezzo

Da decenni si aspira ad avere un mondo in cui tutti gli oggetti di uso comune, come bende e bottiglie, abbiano una sorta di intelligenza integrata grazie a processori super economici e poco dispendiosi in termini di energia. Con l’impennata di richieste inerenti al mondo dell’IoT (Internet Of Things), alcune grandi aziende hanno iniziato a pensare a soluzioni alternative. E’ il caso di un gruppo di ricercatori, che ha trovato il modo di creare un processore in plastica producibile in serie a meno di un centesimo di dollaro al pezzo.

Il team di ricerca presenta così un processore veramente semplice paragonato agli standard odierni (anche in comparazione ai più semplici microcontrollori) ma completamente funzionante processore: Flexicore.

Un processore in plastica a 4 bit

I processori realizzati dal team sono stati realizzati utilizzando la tecnologia dei semiconduttori flessibili IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide), che può essere costruito su plastica e continuare a funzionare anche se piegato su se stesso con un raggio di qualche millimetro (quindi flessibile). Ma mentre un processo di produzione affidabile è un prerequisito, è stato il design a fare la differenza.

Quindi, invece di adattare un’architettura già esistente, il team ha iniziato da zero per creare un progetto chiamato Flexicore. Con lo scopo di ridurre al minimo il numero di porte logiche necessarie alla realizzazione del processore, sono arrivati ad un’architettura a 4 bit anziché 8, 16 o 32 bit, e questo ha aiutato molto. Ha anche aiuato il fatto di separare la memoria che memorizza le istruzioni dalla memoria che memorizza i dati. Ovviamente, è stato necessario ridurre anche il numero e la complessità delle istruzioni che il processore è in grado di eseguire, questo per ridurre la complessità della parte di controllo e di esecuzione. Da qui si intuisce che non è semplicemente un processore, ma è qualcosa di più complesso che include sia una CPU che della memoria, redendolo di fatto un microcontrollore a tutti gli effetti.

In generale, siamo stati in grado di semplificare la progettazione di FlexiCore adattandoli alle esigenze di applicazioni flessibili, che tendono ad essere computazionalmente semplici.

Tutto ciò ha portato a un FlexiCore a 4 bit da 5.6 mm2 composto da soli 2104 dispositivi a semiconduttore (circa lo stesso numero di transistor in un Intel 4004 del 1971) rispetto a circa 56.340 dispositivi per PlasticARM:. Si tratta di un ordine di grandezza inferiore ai più piccoli microcontrollori al silicio in termini di conteggio dei gate. Il team ha anche provato a produrre un processore a 8 bit ma hanno ottenuto una resa minore quindi meno conveniente.

In futuro, i ricercatori cercheranno di ottimizzare i microcontrollori in questione per diversi processi e carichi di lavoro. Si può per esempio pensare ad architetture specifiche e ottimizzate per diversi ambiti. Di sicuro, la produzione di chip del genere porterà all’integrazione di componenti elettronici praticamente ovunque. La ricerca sarà presentata all’International Symposium on Computer Architecture a fine giugno 2022.

Cos’ha il silicio che non va?

Perchè il team sta spingendo verso l’utilizzo di questa particolare tecnologia invece del classico silicio, a cui siamo ormai tutti abituati e di cui abbiamo tanta conoscenza? L’analisi fatta dai ricercatori suggerisce che il silicio non è adatto a questo compio: rispetto alla plastica, infatti, è costoso e inflessibile anche se si riesce ad ottenere un grande livello di miniaturizzazione.

Inoltre, ci sono problemi legati alla produzione di chip in silicio. Gli attuali processi di produzione permettono di ottenere un’area circuitale veramente molto piccola, ma è comunque necessario lasciare una quantità relativamente grande di spazio attorno in modo che il chip possa essere tagliato dal wafer in cui è stato stampato. Nel caso di un processore semplice come il Flexicore, ci sarebbe più spazio attorno al bordo rispetto all’area contenente i circuiti. Inoltre, è richiesto lo spazio per inserire un numero sufficiente di pad I/O in modo che i dati e l’alimentazione possano arrivare al chip. Improvvisamente, si rende necessaria una vasta area di silicio, e questo spinge la spesa complessiva oltre la soglia critica di $0.1.