Imec, het toonaangevende onderzoekscentrum in nano-elektronica en digitale technologie, KU Leuven en PragmatIC Semiconductor, wereldleider in flexibele elektronica, hebben een snelle, plooibare en energiezuinige 8-bit microprocessor gemaakt.
De microprocessor integreert 16.000 dunnefilm-transistoren op een chip van 24,9mm2 en kan complexe code correct uitvoeren.
Om de werking te demonstreren, lieten de onderzoekers het iconische spelletje Snake draaien op de microprocessor. In de toekomst zullen flexibele microprocessoren toelaten om rekenkracht te geven aan tal van toepassingen binnen het Internet-of-Things, zoals aan sensoren in huis of aan productverpakkingen.
De ontwikkeling van flexibele elektronica is de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt. Mede dankzij onderzoek dat op imec werd gevoerd, vind je de flexibele circuits vandaag al terug als RFID-tag in allerlei productverpakkingen, verbinden ze papieren speelkaarten met de cloud, doen ze dienst als slimme pleister en drijven ze dunne beeldschermen aan.
Kloppend hart van deze technologie zijn dunnefilm-transistoren – gemaakt uit bijv. metaaloxides – aangebracht in dunne laagjes op een plastiek folie. Op gebied van rekenkracht kunnen dunnefilm-transistoren lang niet tippen aan de klassieke silicium-transistoren.
Ze hebben dan ook niet de bedoeling om deze te vervangen, maar wel om andere toepassingen mogelijk te maken. Niet alleen is de elektronica flinterdun en flexibel, waardoor de circuits haast onzichtbaar in allerlei objecten kunnen worden geïntegreerd. Ze zijn bovendien een pak goedkoper: chips van één eurocent worden stilaan realiteit.
Maar om nog meer rekenkracht te kunnen geven aan alledaagse objecten, ontbreekt er vandaag de dag nog één belangrijk element: de flexibele rekenchip of microprocessor die complexe berekeningen kan uitvoeren. In voedingsverpakkingen of drankkartons zou zo'n flexibele microprocessor in combinatie met een versheidssensor dynamisch kunnen berekenen hoelang het product nog vers blijft.
Hij zou ook allerlei sensoren in en rond het huis (camera, temperatuursensor, CO2-sensor) intelligent met elkaar kunnen verbinden en aansturen. Een snelle rekenchip in een wearable zou ook snel variërende data (zoals je hartslag of bewegingen van spieren) beter kunnen verwerken.
Kortom, een flexibele, goedkope rekenchip zou meer rekenkracht en connectiviteit kunnen geven aan het Internet of Things (IoT).
Kris Myny, Principal Scientist bij imec: "Toen we een tiental jaar geleden bij imec begonnen met de ontwikkeling van plooibare microprocessoren waren die qua eigenschappen en complexiteit vergelijkbaar met de siliciumchips uit de jaren 1970.
Om ze bruikbaar te maken voor IoT-toepassingen, moesten ze een pak sneller en kleiner worden. Ook hun energieverbruik moest naar beneden, aangezien heel wat IoT-toepassingen gedurende maanden of langer op een kleine batterij moeten kunnen werken. Dat bracht heel wat uitdagingen mee op het gebied van chipontwerp."
Een ander struikelblok was de fabricage. Microprocessoren op basis van silicium worden op grote schaal gemaakt met betrouwbare, robuuste productieprocessen. De fabricage van flexibele elektronische circuits speelde zich tot voor kort enkel af in het labo.
Kris Myny: "In onze flexibele microprocessor hebben we, mede dankzij de FlexLogIC® Fab service van onze partner PragmatIC, 16.000 dunnefilm-transistoren geïntegreerd op een oppervlakte kleiner dan een vingernagel. Dat aantal is uiteraard niet vergelijkbaar met de miljarden transistoren die vandaag in de krachtigste siliciumchips zitten.
Maar de microprocessor is wel al in staat om voldoende rekenkracht te geven aan sensoren en actuatoren voor het IoT. Voor de eerste keer tonen we ook aan dat onze flexibele microprocessor reële complexe code correct kan uitvoeren: we zijn erin geslaagd om er het populaire Snake spel op te laten draaien.
Deze realisatie is een mooi afsluitstuk van de startersbeurs die ik in 2016 van de Europese Onderzoeksraad (ERC) kreeg om een dergelijke doorbraak in dunnefilm-technologie mogelijk te maken."
Dit onderzoek werd uitgevoerd in het kader van de ERC startersbeurs FLICs onder grant agreement No 716426 binnen het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie.
Foto van imec's 8-bit flexibele microprocessor naast een €2 muntstuk
Als onafhankelijk onderzoekscentrum verbindt imec zich ertoe zijn expertise in te zetten om de feiten rond technologie en innovatie helder en objectief weer te geven, en zo de maatschappij te helpen ze te begrijpen en te plaatsen.'
