隨著可折疊屏幕在智能設(shè)備中的普及，柔性電子已經(jīng)逐漸進入了主流視野。而在顯示屏之外，柔性集成電路還有很大的潛力，本文將對此做介紹和分析。

　　柔性集成電路的應(yīng)用

　　柔性電路是指在柔性基底是制造的電路，而柔性集成電路則是在柔性基底（例如聚酰亞胺，Polyimide）上實現(xiàn)的高集成度大規(guī)模電路。

　　柔性集成電路一個顯而易見的優(yōu)勢是可彎曲，甚至可折疊。這對于健康相關(guān)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備來說都很有用，例如可以像創(chuàng)可貼一樣貼在用戶身體上的生理信號監(jiān)控產(chǎn)品中，使用可彎曲的柔性集成電路就很方便。

　　除了可彎曲之外，柔性電路的另一大優(yōu)勢是成本較基于硅的集成電路來說，成本要低很多。這一點，和上面的可彎曲相結(jié)合，有可能會成為下一代萬物智能的重要賦能技術(shù)。提起物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，大家的第一印象還是一個電子設(shè)備，售價至少要數(shù)十人民幣；而在“萬物智能”的設(shè)想中，生活中每一個物件都應(yīng)該是智能化的，包括飲料、零食、洗衣液等等，都應(yīng)該有能力可以接入物聯(lián)網(wǎng)中，而這就對于物聯(lián)網(wǎng)電子部分的成本、尺寸和可集成性等都提出了新的需求。而如前所述，柔性電子的兩大特性則正好對應(yīng)萬物智能的兩大需求：可彎曲的特性讓柔性集成電路可以很方便地集成到不同物件的表面，例如彎曲的洗衣液屏，需要被折疊的辣條包裝等等；而低成本的優(yōu)勢則可以讓加入柔性集成電路的額外成本足夠低因此可以進入海量的物件中。由此實現(xiàn)的“萬物智能”構(gòu)想則有可能比今天的物聯(lián)網(wǎng)的智能程度更進一步，例如基于柔性集成電路的系統(tǒng)可以檢測你的洗衣液還有多少剩余，從而在合適的時間節(jié)點給你推送需要購買的通知。而從另一個角度來看，萬物智能意味著這類集成電路的出貨量將比目前的手機等最主流的智能設(shè)備還要高幾個數(shù)量級，其潛力巨大。

　　柔性電子發(fā)展現(xiàn)狀：通信和傳感已經(jīng)逐漸成熟

　　基于薄膜（thin-film）的柔性傳感以及通信集成電路已經(jīng)有了很長的開發(fā)歷史，目前已經(jīng)逐漸接近成熟。

　　就傳感集成電路來說，目前基于薄膜電子的柔性傳感器已經(jīng)可以實現(xiàn)壓力、應(yīng)力、溫度等重要信號的傳感能力，對于可穿戴設(shè)備這樣的第一個目標應(yīng)用已經(jīng)有了足夠的能力。但是，光有傳感器本身并不具有足夠的吸引力來說服用戶使用柔性電子，而必須要與其他的柔性模塊相配套。

　　柔性通信集成電路的研究時間比起柔性傳感器來說稍短一些，但是目前也已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M步。用于通信的柔性集成電路常用的是近場通信（NFC）的原理，即利用外部的射頻能量來給通信系統(tǒng)供電并完成傳輸。目前，使用柔性基底實現(xiàn)的通信集成電路常用基于IGZO（indium gallium zinc oxide，氧化銦鎵鋅）的薄膜晶體管（TFT），并利用TFT來完成整流、調(diào)制、時鐘產(chǎn)生以及相關(guān)的數(shù)字電路用于通信協(xié)議接口。一個基于TFT的柔性近場通信集成電路通常含有數(shù)千個TFT晶體管。

　　在有了傳感器和通信電路之后，自然就出現(xiàn)了不少把兩者集成在一起實現(xiàn)實用化的柔性集成電路系統(tǒng)的努力，包括柔性溫度傳感器加NFC實現(xiàn)實時體溫監(jiān)控等；另外也有不少使用TFT實現(xiàn)模擬電路的研究，包括較高性能的放大器等，以提升整體柔性集成電路的性能。然而，在通信和傳感之外，柔性電子目前主要的短板還是在于處理器領(lǐng)域，而具有高集成度的柔性處理器的出現(xiàn)將會將柔性電子的成熟度推上更高的一個層次。

　　ARM的研究補上了柔性電子處理器的空缺

　　最近，芯片IP巨頭ARM和英國初創(chuàng)公司PragmatIC合作研發(fā)的基于柔性TFT的32位ARM處理器則可以說是將柔性集成電路領(lǐng)域的一個重要里程碑。在七月底發(fā)布在頂級科學(xué)期刊《自然》的論文中，ARM和PragmatIC則公布了該研究的一些重要信息。

　　首先，該ARM處理器的完成度和復(fù)雜度非常高。它基于ARMv6-M架構(gòu)外加兩級流水線，可以直接跑兼容Cortex-M0的程序。在模塊方面，它事實上是一個SoC，除了CPU之外，還包括了互聯(lián)接口（AHB-Lite）、ROM和RAM。其等價邏輯門數(shù)高達18000，比前述的由上千個TFT組成的柔性集成電路的規(guī)模大了一個數(shù)量級。處理器的時鐘頻率可以達到29KHz，功耗則為21mW。

　　此外，在設(shè)計流程和制造工藝方面，使用了PragmatIC提供的工藝技術(shù)（FlexLogIC）。該技術(shù)使用了IGZO TFT晶體管，晶元尺寸為200mm，而晶體管溝道尺寸（特征尺寸）則為0.8um，供電電壓為3V，可用的金屬層數(shù)為4層。在論文中，研究者估計基于同樣的TFT器件，預(yù)計可以繼續(xù)進化到支持十萬門數(shù)量級的柔性集成電路，離目前的萬門處理器還有至少一個數(shù)量級的上升空間。PragmatIC還提供了該工藝對應(yīng)的標準單元庫和工藝庫（SDK），其中標準單元庫中提供了常見的邏輯門（反相器、與非門，寄存器等），而標準單元庫和SDK搭配則可以直接兼容標準化的數(shù)字EDA流程（包括邏輯綜合，布局布線和時序優(yōu)化等），因此整套設(shè)計流程已經(jīng)非常接近商用化。

　　柔性集成電路的未來

　　與硅基CMOS電路目前已經(jīng)接近摩爾定律的瓶頸不同，柔性集成電路目前還處于摩爾定律發(fā)展曲線的初期，因此未來無論是集成度、性能還是功耗方面都可望會有很大的提升空間。根據(jù)歐洲頂尖半導(dǎo)體研究機構(gòu)IMEC在《自然·電子學(xué)》發(fā)表的柔性集成電路的展望論文《The development of flexible integrated circuits based on thin-film transistors》，當(dāng)未來的柔性集成電路的特征尺寸發(fā)展到200nm左右（即目前主流1um左右特征尺寸的五分之一到十分之一）時，其電路性能可望達到目前的20倍以上，而功耗則可以達到目前的一百分之一。到那個時候，我們可望可以看到功能更強大的柔性集成電路SoC（包括傳感、處理和通信系統(tǒng)），從而真正賦能下一代“萬物智能”時代，讓智能化走入所有日常物件。

　　歐洲的機構(gòu)在柔性集成電路的研究領(lǐng)域有非常高的熱情。英國芯片IP巨頭ARM在柔性集成電路研究領(lǐng)域做了非常多的投資，并且主導(dǎo)了一系列具有前瞻性的研究。除了這次發(fā)表的首個柔性32位ARM處理器之外，ARM在這之前還發(fā)表了一系列基于柔性集成電路的工作，包括基于TFT的機器學(xué)習(xí)加速器等等。另外，IMEC在柔性集成電路領(lǐng)域也有很多重要的工作。目前，中國的TFT相關(guān)產(chǎn)業(yè)在顯示領(lǐng)域有京東方這樣的領(lǐng)軍企業(yè)，擁有不錯的底子，希望能在柔性集成電路領(lǐng)域的研究在未來幾年能有更多投入，從而當(dāng)柔性集成電路成為主流時，中國的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也能成為領(lǐng)軍企業(yè)。