ISSCC 2011 Organischer 8-Bit-Mikroprozessor auf Plastikfolie

Wurden im letzten Jahr die ersten organischen A/D-Wandler bereits vorgestellt, hat das IMEC in diesem Jahr einen Mikroprozessor auf Basis von organischen Dünnfilmtransistoren (OTFT) präsentiert, der direkt auf flexibler Plastikfolie prozessiert wurde. Damit entfällt der Umweg, eine Schaltung erst auf Silizium zu fertigen und sie dann nachträglich auf einen Plastikträger aufzusetzen.

Laut Kris Myny, Forscher beim IMEC, handelt es sich um einen General-Purpose-Prozessor, der ausschließlich mit p-Type-Transistoren aufgebaut wird. Die Transistoren haben eine Kanallänge von 5 µm. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ladungsträger je Feldstärke ist mit 0,15 cm2/Vs angegeben. Das IMEC hat einen Dual-Gate-Ansatz mit zwei Vts gewählt, wodurch laut Myny die Robustheit der Schaltung deutlich zunimmt.

Der Prozessor verfügt über alle klassischen Einheiten. So besteht der Kern des Prozessors aus einer 8-Bit-ALU mit einer arithmetischen Einheit (ADD, SUB, IN, DEC), einer logischen Einheit (AND, OR, NOT) und einem Bit-Shifter, die parallel arbeiten. Dazu stehen noch folgende Register zur Verfügung: Zum Abspeichern der Ergebnisse aus der ALU gibt es ein Accumulator-Register, daneben sind noch drei zusätzliche Arbeitsregister und ein Output-Register implementiert.

Neben dem General-Purpose-Prozessor hat das IMEC auch noch eine Instruction-Code-Folie entwickelt, wodurch der General-Purpose-Prozessor auf eine bestimmte Applikation zugeschnitten wird. Die Trennung hat laut Myny folgenden Vorteil: »Soll der Prozessor für eine andere Applikation optimiert werden, muss lediglich die Instruction-Code-Folio neu gemacht werden, der General-Purpose-Prozessor bleibt der Gleiche.« Die Instruction-Code-Folie setzt sich aus einem Programm-Counter und einer Instruction-Matrix zusammen. Jede Instruktion ist 10 Bit lang, wovon 9 Bits an den Prozessor weitergereicht werden. Beide Folien zusammen kommen auf 4000 Transistoren.

Tests haben ergeben, dass jede der 15 Instruktionen (10 Bit) des Befehlssatzes (einschließlich einem Sprungbefehl) korrekt ausgeführt wurde und die erwarteten Ergebnisse geliefert hat. Der Mikroprozessor arbeitet mit Versorgungsspannungen zwischen 10 und 20 V, die Spannung am Back-Gate kann bei einer Versorgungsspannung von 15 V zwischen 45 und 65 V liegen. Es wurde eine Taktfrequenz von bis zu 6 Hz erreicht. Um die Frequenz zu erhöhen, stehen laut Myny zwei Möglichkeiten offen: eine optimierte Architektur beziehungsweise ein optimiertes Design des Critical Path oder eine Material mit höherer Mobilität der Ladungsträger. Käme zum p-type noch ein n-type-Transitor hinzu, würde sich dadurch natürlich auch die Frequenz erhöhen lassen.