Flexible Elektronik

Gedruckte MCUs greifbar machen

27. Juni 2022, 14:00 Uhr | Heinz Arnold
PragmatIC Semiconductor
Ein Wafer mit 6502-Controllern von PragmatIC Semiconductor
© PragmatIC Semiconductor

Erstmals ist es gelungen, flexible 4-bit-Controller aus Plastik in Ausbeuten zu fertigen, die für die Volumenproduktion geeignet sind – auf Basis des Prozesses von PragmatIC.

Im September letzten Jahres hatte Markt&Technik über den neuen Prozess des englischen Startups PragmatIC Semiconductor berichtet, mit dessen Hilfe das Unternehmen die Fertigung sehr kostengünstiger Plastik-Chips ermöglichen will. Jetzt hat ein Team der Universität Illinois Urbana-Champaign unter Leitung von Prof. Rakesh Kumar nachgewiesen, dass sich 4-bit-Controller, die für die Fertigung in dem Prozess von PragmatIC optimiert wurden, mit hohen Ausbeuten für Kosten von unter 1 Cent pro Stück fertigen lassen – ein entscheidender Durchbruch.

Praktisch jedes Produkt – von Flaschen über Verbandsmaterial bis zu Bananen – mit billigen Tags zu versehen, die »intelligent« genug sind, um Auskunft über die Produkte zu geben – davon träumen die Ingenieure schon lange. Kandidaten wären ICs, die auf Basis von organischen Materialien, also Plastik, arbeiten und sehr billig gedruckt werden können – mithilfe von Prozessen, die viel einfacher und kostengünstiger sind als die Verfahren für die Fertigung von Silizium-Chips. Allerdings blieb das ein Traum, denn die Plastik-Chips ließen sich bisher nicht in Milliarden-Stückzahlen herstellen, das angestrebte Preisziel von unter einem Cent pro Chip blieb in weiter Ferne.

Nach Ansicht des Design-Teams der Universität von Illinois Urbana-Champaign und des britischen Start-ups PargmatIC Semiconductor, die gerade eine Fab für die Fertigung von 10 Milliarden felxibler ICs pro Jahr in Durham baut, lag das daran, dass auch die einfachsten Controller für den Einsatz in der Industrie viel zu komplex sind, um sie auf Basis organischer Materialien zu fertigen.

Jetzt ist dem Team aus Illinois ein Durchbruch gelungen: Auf dem , das vom 18. bis 22. Juni in New York stattfand, stellte das Team aus Illinois einen voll funktionsfähigen Prozessor aus Plastik vor, der zu unter 1 Cent pro Stück produziert werden kann.

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Scott White
Scott White, CEO von PragmatIC Semiconductor: »Der ‚Flexicore’-Controller des Teams um Prof. Kumar an der University ist genau die Art von Innovationen, die wir benötigen, damit die Elektronik in sämtliche unserer Lebensbereiche Einzug halten und allgegenwärtig werden kann.«
© PragmatIC Semiconductor

81 Prozent Ausbeute

Die Ingenieure haben im Feld flexible und reprogrammierbare – auch das eine Weltneuheit – 4- und 8-bit-Controller entworfen und sie auf eine geringe Größe optimiert. 81 Prozent der im Prozess von PragmatIC auf 200-mm-Polyimid-Wafern hergestellten 4-bit-Controller waren voll funktionsfähig – eine Ausbeute, die hoch genug sei, um die 1-Cent-Schwelle nach unten zu durchbrechen, wie Prof. Rakesh Kumar erklärte: »Die flexible Elektronik befindet sich seit Jahrzehnten in einer Nische; unsere Studie zeigt jetzt, dass wir den Durchbruch in den Mainstream schaffen können.«

Die Controller, die das Team von Kumar designt hat, werden mit Strukturgrößen von 0,8 µm auf den mit dem halbleitenden Dünnfilmtransistormaterial Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) beschichteten Wafern gefertigt. Die darauf strukturierten Schaltkreise bleiben sogar dann noch funktionsfähig, wenn das Plastik in Radien im Bereich von Millimetern gebogen wird.

Der verlässliche Fertigungsprozess von PragmatIC war dafür die Voraussetzung, den wirklichen Unterschied aber machte das Design: Anstatt eine existierende Mikroprozessor-Architektur einfach auf Plastik-Chips zu übertragen, entwarf das Team von Kumar die Prozessorarchitektur von Grund auf völlig neu und gaben ihr den Namen »Flexicore«. »Die Ausbeute sinkt sehr schnell bei steigender Gate-Zahl«, so Kumar. Also reduzierten die Ingenieure die Zahl der benötigten Gates auf das Allernötigste. Eine Vereinfachung besteht schon darin, Wortbreiten von 4 und 8 bit anstatt den heute meist üblichen 16 und 32 bit zu verwenden.

Außerdem arbeiten die Prozessoren einen Befehl in jeweils einem Taktzyklus ab. Die heute in Prozessoren üblichen mehrstufigen Pipelines sowie Multiplexing entfallen. »Weitere Vereinfachungen konnten wir erzielen, indem wir die Architektur auf die typischen Einsatzfälle für flexible Elektronik angepasst haben, die keine übermäßig hohen Rechenleistungen erfordern«, sagt Nathaniel Bleier, ein Student von Kumar.

Das Resultat: der im Feld reprogrammierbare 4-bit-»Flexicore«-Controller, der eine Fläche von 5,6 mm2 einnimmt und auf dem nur 2104 Transistoren integriert sind – ungefähr so viel wie auf dem »4004« von Intel aus dem Jahr 1971. »Das ist um eine Größenordnung geringer als die Zahl der Gates, die der kleinste derzeitige Controller aus Silizium enthält«, erklärt Bleier.

»Das ist genau die Art von Innovationen, die wir benötigen, damit die Elektronik in sämtliche unserer Lebensbereiche Einzug halten und allgegenwärtig werden kann«, freut sich Scott White, CEO von PragmatIC. Das Unternehmen hat die sogenannten FlexLogIC-Fabs entwickelt, die nach dem Vorbild der bereits existierenden 200-mm-Fab in Durham an den Standorten großer Kunden als speziell auf sie zugeschnittene »Fabs-as-a-Service« (FaaS) gebaut werden sollen. Das sorge für eine effiziente und sichere Lieferkette. »Wir werden schon bald 100 Fabs in verschiedenen Ländern bauen«, erklärte Scott White gegenüber Markt&Technik im September vergangenen Jahres. Für 2023 rechnet er mit der ersten Fab, die direkt auf dem Gelände eines Kunden gebaut wird.


  1. Gedruckte MCUs greifbar machen
  2. Die »FlexLogIC«-Fabs

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