硅半导体时代结束？首颗塑料CPU诞生

    泡泡网CPU频道4月4日 最近的两个研究进展（塑料处理器和印刷存储器）说明计算机不一定必须依赖非柔性的硅。（原文链接）

    硅是我们周围使用的计算机的基石，但是半导体器件的非柔性意味着它的使用范围是受限的。首个塑料半导体计算机处理器和存储器芯片的诞生表明，有一天，计算机的影响将无处不在。

    欧洲的研究人员使用4000个塑料或有机晶体管来制造塑料微处理器，这种处理器大概为2平方厘米大小，置于软性塑料薄片上。来自比利时微电子纳米技术研究中心（IMEC nanotechnology center）的简·葛诺（Jan Genoe）说，“与使用硅相比，这种材料可以降低成本，并提高柔韧性”。葛诺及其同事与荷兰应用科学研究院（TNO research organization）和显示器公司Polymer Vision的研究人员一起开展工作。

塑料的力量: 该微处理器由有机材料制作。和大多数硅处理器相比，它是微小的，但是更灵活更便宜。（来源：IMEC）

    该处理器目前只能运行16条指令的简单程序。命令是被硬编码进用塑料电路蚀刻的附属薄片上，这样就可以与处理器连接起来“加载”程序。葛诺说，这样处理器可以计算进来的信号的运行平均值，这是一个接收传感器信号并进行处理的芯片要做的事情。芯片以6赫兹的速度运行（这比现在桌面机器运行速度慢100万倍），与现在计算机处理器128位的处理能力相比，这个芯片最多只能处理8位的信息。

    有机晶体管已经使用在LED显示器和RFID标签上，但是没有以这样的规模组合使用，或用于制造各种处理器。上个月，国际固态电路会议（ISSCC conference）在加利福尼亚圣何塞召开，该微处理器在会上展出。

    制造这种处理器，首先要准备25微米厚的软性塑料片，葛诺说，“就像你包午餐用的东西一样”。然后在上面铺上一层金电极，接着是一个绝缘塑料层和组成处理器4000个晶体管的塑料半导体。通过旋转塑料薄片把一滴有机液体铺成薄而均匀的一层来制作晶体管。缓慢加热塑料薄片，液体变成在有机半导体中广泛使用的并五苯固体（pentacene）。然后使用光刻法蚀刻并五苯层来使晶体管最终成型。

    葛诺说，将来，通过印刷如油墨一样的有机部件，可以使制作这种处理器的成本更低廉。“有研究小组致力于卷对卷或片对片的印刷”，他说，“但是在制作小尺寸非摆动（物理上不规则）的有机晶体管上，还需要有进步。”目前最好的实验室规模的印刷方法只能交付数十倍于微米级的可靠晶体管，他说。

    制造塑料晶体管处理器是一项挑战，因为和有序硅晶体制作的晶体管不同，所有塑料晶体管的表现可能不是相同的。每个晶体管的表现有轻微差别是因为它们是由非结晶的并五苯分子所组成。葛诺说，“没有两个是相同的，我们必须对这种可变性进行研究并仿真，以期做出以最大几率运转正常的设计。”

    研究小组成功了，但这并不意味着塑料处理器可以在消费计算机上替换硅处理器。葛诺解释说，“有机材料在根本上限制了运行速度。”他希望塑料处理器出现在硅处理器因为价格和物理上的非柔性而产生瓶颈的地方。低廉的有机材料与传统硅相比，可以使塑料方法的价格降低十倍。

    “你可以想象一个被输气管包裹着的有机气体传感器使用软性微处理器清除嘈杂信号，来对任何泄露情况进行报告。”塑料电子产品使得一次性交互显示器可以被包装起来，例如食品，葛诺说，“你可以按下按钮来给你吃的饼干增加卡路里。”

    明尼苏达大学（University of Minnesota）的有机电子研究人员张伟（音译Wei Zhang）说，这些应用不仅仅需要塑料处理器。在有机处理器被展示的大会上，张伟及其同事展示了首个印刷有机DRAM存储器（动态随机存储器），大多数电脑都是用这种存储器和处理器一起工作用于短期数据存储。通过喷雾器的喷嘴喷出有机“油墨”层来制作24平方微米大小的存储器阵列，可以存储64位的信息。

    张伟说，之前的印刷存储器是非挥发的，也就是说，即使断电，它也会保存数据，这不适合包括了频繁读写和改写操作的短期存储。明尼苏达的研究小组能够印刷DRAM是因为他们设计了一种印刷有机晶体管，使用离子凝胶绝缘物质隔离电极。

    内部的离子较之传统的非离子绝缘体可以使凝胶层存储更多的电荷。这强调了限制有机存储器发展的两个问题。凝胶的电荷存储能力降低了操作晶体管和由其构成的存储器所需的功率；也使得存储器中用来表示1和0的电荷等级变得明显，并可以在不需要存储器刷新的情况下持续一分钟之久。

    张伟说，有机印刷DRAM可用于由印刷有机LED构成的显示器中图像帧的短期存储。这使得更多的设备可以用印刷方法来制造，抛弃一些硅组件，并降低成本。

    把有机微处理器和存储器结合起来的方法可以降低成本，尽管张伟说这两者目前还不能连接。“这些工作是新技术，所以我们不能保证它们可以构造并一起工作”，张伟说，“但是在将来，这是可行的。”■