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(jìn)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(duì)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(shí)現(xiàn)的高集成度大規(guī)模電路。

　　柔性集成電路一個(gè)顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)是可彎曲，甚至可折疊。這對(duì)于健康相關(guān)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)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(hào)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(shì)是成本較基于硅的集成電路來(lái)說(shuō)，成本要低很多。這一點(diǎn)，和上面的可彎曲相結(jié)合，有可能會(huì)成為下一代萬(wàn)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(gè)電子設(shè)備，售價(jià)至少要數(shù)十人民幣；而在“萬(wàn)物智能”的設(shè)想中，生活中每一個(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)萬(wàn)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(shì)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(jìn)入海量的物件中。由此實(shí)現(xiàn)的“萬(wàn)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(jìn)一步，例如基于柔性集成電路的系統(tǒng)可以檢測(cè)你的洗衣液還有多少剩余，從而在合適的時(shí)間節(jié)點(diǎn)給你推送需要購(gòu)買的通知。而從另一個(gè)角度來(lái)看，萬(wàn)物智能意味著這類集成電路的出貨量將比目前的手機(jī)等最主流的智能設(shè)備還要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(zhǎng)的開(kāi)發(fā)歷史，目前已經(jīng)逐漸接近成熟。

　　就傳感集成電路來(lái)說(shuō)，目前基于薄膜電子的柔性傳感器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)壓力、應(yīng)力、溫度等重要信號(hào)的傳感能力，對(duì)于可穿戴設(shè)備這樣的第一個(gè)目標(biāo)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(lái)說(shuō)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(shí)間比起柔性傳感器來(lái)說(shuō)稍短一些，但是目前也已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步。用于通信的柔性集成電路常用的是近場(chǎng)通信（NFC）的原理，即利用外部的射頻能量來(lái)給通信系統(tǒng)供電并完成傳輸。目前，使用柔性基底實(shí)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(lái)完成整流、調(diào)制、時(shí)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(gè)基于TFT的柔性近場(chǎng)通信集成電路通常含有數(shù)千個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)體溫監(jiān)控等；另外也有不少使用TFT實(shí)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(huì)將柔性電子的成熟度推上更高的一個(gè)層次。

　　ARM的研究補(bǔ)上了柔性電子處理器的空缺

　　最近，芯片IP巨頭ARM和英國(guó)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(shuō)是將柔性集成電路領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。在七月底發(fā)布在頂級(jí)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(jí)流水線，可以直接跑兼容Cortex-M0的程序。在模塊方面，它事實(shí)上是一個(gè)SoC，除了CPU之外，還包括了互聯(lián)接口（AHB-Lite）、ROM和RAM。其等價(jià)邏輯門(mén)數(shù)高達(dá)18000，比前述的由上千個(gè)TFT組成的柔性集成電路的規(guī)模大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。處理器的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到29KHz，功耗則為21mW。

　　此外，在設(shè)計(jì)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(jì)基于同樣的TFT器件，預(yù)計(jì)可以繼續(xù)進(jìn)化到支持十萬(wàn)門(mén)數(shù)量級(jí)的柔性集成電路，離目前的萬(wàn)門(mén)處理器還有至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的上升空間。PragmatIC還提供了該工藝對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)和工藝庫(kù)（SDK），其中標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中提供了常見(jiàn)的邏輯門(mén)（反相器、與非門(mén)，寄存器等），而標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)和SDK搭配則可以直接兼容標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字EDA流程（包括邏輯綜合，布局布線和時(shí)序優(yōu)化等），因此整套設(shè)計(jì)流程已經(jīng)非常接近商用化。

　　柔性集成電路的未來(lái)

　　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(lái)無(wú)論是集成度、性能還是功耗方面都可望會(huì)有很大的提升空間。根據(jù)歐洲頂尖半導(dǎo)體研究機(jī)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(lái)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(shí)，其電路性能可望達(dá)到目前的20倍以上，而功耗則可以達(dá)到目前的一百分之一。到那個(gè)時(shí)候，我們可望可以看到功能更強(qiáng)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(wàn)物智能”時(shí)代，讓智能化走入所有日常物件。

　　歐洲的機(jī)構(gòu)在柔性集成電路的研究領(lǐng)域有非常高的熱情。英國(guó)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(gè)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(jī)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(guó)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(cuò)的底子，希望能在柔性集成電路領(lǐng)域的研究在未來(lái)幾年能有更多投入，從而當(dāng)柔性集成電路成為主流時(shí)，中國(guó)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也能成為領(lǐng)軍企業(yè)。