【研究背景】
随着半导体技术的不断发展，智能设备和连接性在各个领域的应用日益普及，引发了对新型低成本、高性能微处理器的关注。当前的微处理器主要基于硅（Si）技术，但其高昂的生产成本和刚性设计限制了在可穿戴设备和智能包装等新兴应用中的广泛采用。为了应对这些挑战，研究者们开始探索替代材料和开放架构，以降低成本并增强灵活性。
开放硬件，特别是基于RISC-V指令集的微处理器，为微处理器设计带来了新的可能性。RISC-V是一种开放且免费的指令集架构，允许开发者自由设计和修改微处理器，从而降低了知识产权许可费用和开发成本。然而，传统的硅制造工艺不仅资本投入高，而且环境影响显著，尤其是在碳排放方面。因此，采用新型材料，如铟镓锌氧化物（IGZO），在灵活的聚酰亚胺基底上制造薄膜晶体管（TFT），为构建低成本、可弯曲的微处理器提供了机会。
为了解决上述问题，英国半导体公司Pragmatic Semiconductor的Emre Ozer等团队开发了Flex-RV，这是一种基于开源RISC-V指令集的32位微处理器，集成了可编程的机器学习加速器。Flex-RV不仅在成本上突破了亚美元的门槛，还通过创新的设计实现了在60 kHz下的运行，功耗低于6 mW。
此外，该微处理器在组装到灵活印刷电路板上后，能够在不同的弯曲条件下稳定运行，平均性能变化不超过4.3%。这一研究解决了如何在低成本和高灵活性之间取得平衡的问题，为未来的可穿戴设备、医疗器械和智能包装应用奠定了基础。以上成果在Nature期刊上发表了题为“Bendable non-silicon RISC-V microprocessor”的最新论文。
【科学亮点】
1. 实验首次实现了基于开源RISC-V指令集的32位微处理器Flex-RV，采用铟镓锌氧化物薄膜晶体管（IGZO TFTs）制造在灵活的聚酰亚胺基底上，成功构建了超低成本的可弯曲微处理器。
2. 实验通过集成可编程的机器学习硬件加速器，扩展了RISC-V指令集，能够运行机器学习工作负载，实现了灵活的计算能力。
3. Flex-RV在60 kHz下成功运行，功耗低于6 mW，展示了其在低能耗应用中的优势，满足新兴市场对成本和性能的需求。
4. 组装在灵活印刷电路板上的Flex-RV在平坦和紧密弯曲条件下执行程序时，验证了其功能，平均性能变化不超过4.3%，证明了其在机械应力下的可靠性。
5. 本研究开创了亚美元开放标准非硅32位微处理器的新时代，推动了可穿戴设备、医疗设备和智能包装等新兴应用的民主化和普及。
【图文解读】
本文通过开源RISC-V指令集与铟镓锌氧化物薄膜晶体管（IGZO TFT）的结合，具体来说，研发了Flex-RV这一可弯曲的32位微处理器，从而实现了超低成本的计算解决方案，最终揭示了在灵活印刷电路板上运行的微处理器能够满足新兴应用的需求。
针对智能穿戴设备、医疗器械和智能包装等新兴应用中存在的高成本和刚性问题，本文通过对微处理器架构的创新分析，得到了可在低功耗下高效运行的微处理器设计，进而挖掘了灵活可弯曲的半导体技术在未来计算中的潜力。
在此基础上，通过对Flex-RV的功能验证，包括在平坦和紧密弯曲条件下的性能测试，着重研究了该微处理器在实际应用中的可靠性与可行性。研究表明，Flex-RV在60 kHz下运行，功耗低于6 mW，并且在不同的弯曲状态下，性能变化不超过4.3%。这一发现不仅展示了Flex-RV在性能上的优势，还证明了其在可穿戴设备和医疗设备等领域的广泛应用潜力，为未来的智能计算铺平了道路。
图1：系统架构。
图2：Flex-RV芯片。
图3：测试基础设施。
图4：执行测试程序时，在柔性电路板flexible printed circuit board，FlexPCB上的Flex-RV芯片可弯曲折叠性测试。
【科学启迪】
Flex-RV微处理器的研发展示了开放硬件在推动科技进步方面的重要潜力。通过采用开源RISC-V指令集和铟镓锌氧化物薄膜晶体管技术，Flex-RV不仅实现了超低成本和灵活性，还集成了可编程的机器学习加速器。这为可穿戴设备、医疗器械和智能包装等新兴应用开辟了广阔的前景。其在60 kHz下低于6 mW的功耗，证明了高效能和节能的兼容性。尤其是在性能变化不超过4.3%的情况下，Flex-RV展现出在实际应用中优异的稳定性和可靠性。未来，随着类似技术的不断发展，开放标准的非硅微处理器将为各行各业带来更多创新机会，促进跨领域的合作与应用。这不仅将推动科学研究的进步，还将 democratize 计算能力，使更多人能够接触和利用先进的技术，从而实现更智能、更灵活的生活方式。因此，Flex-RV的成功不仅是一项技术突破，更是未来科技发展的启示，强调了开放性与合作在推动社会进步中的重要性。
文献信息：
Ozer, E., Kufel, J., Prakash, S. et al. Bendable non-silicon RISC-V microprocessor. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07976-y
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