Flex-RV: 引领可弯曲微处理器时代的开源RISC-V架构！

“Flex-RV：开启灵活计算新时代的开源微处理器”，Nature Materials！

Jack

【研究背景】

随着半导体技术的不断进步，微处理器在各个领域的应用日益广泛，特别是在智能设备、可穿戴设备和医疗器械等新兴应用中，引起了科学家们的高度关注。这些应用对微处理器的成本、尺寸和灵活性提出了新的挑战。传统的硅基微处理器虽然在性能和功耗上有显著优势，但其高昂的制造成本和刚性封装限制了其在低成本和可弯曲设备中的应用。

微处理器是执行程序的核心组件，其设计与制造受到多个因素的制约。首先，硅晶圆制造所需的资本投资极为庞大，尤其是在先进节点（如2-3纳米）的硅制造厂，需要数百万的资金。这使得低成本微处理器的开发变得困难。其次，现有的微处理器通常依赖于专有指令集架构（ISA），如x86或ARM，这些指令集虽然成熟但需要支付高额的授权费用，并且对定制化有很大的限制。此外，硅芯片对环境条件十分敏感，脆弱的结构要求其必须封装在坚硬的外壳中，这又增加了成本并限制了其在可穿戴和植入设备中的应用。

针对上述问题，英国半导体公司Pragmatic Semiconductor的Emre Ozer等团队开始探索基于开源指令集RISC-V和非硅材料的新型微处理器。RISC-V作为一种开放且免费的指令集标准，允许任何人开发实施该指令集的CPU，从而消除了ISA许可费用，降低了非重复工程（NRE）成本。同时，铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜晶体管技术为在灵活的聚酰亚胺基底上制造微处理器提供了可能，具有较低的环境影响和成本优势。

本研究的目标是开发一种超低成本且可弯曲的微处理器——Flex-RV。Flex-RV不仅基于开源的RISC-V架构，还集成了可编程的机器学习（ML）加速器，通过扩展RISC-V指令集来运行机器学习工作负载。我们在制造过程中采用了低温工艺，并通过创新的组装技术，将微处理器装配到灵活的印刷电路板上，确保其在机械弯曲条件下仍能正常工作。

【仪器亮点】

1. 实验首次提出Flex-RV，这是一种基于开源RISC-V指令集的32位微处理器，采用铟镓锌氧化物薄膜晶体管（IGZO TFTs）制造，具有超低成本和可弯曲性。

2. 实验通过在灵活的聚酰亚胺基底上实现Flex-RV，集成了一个可编程的机器学习（ML）硬件加速器，展示了扩展RISC-V指令集的新指令，以支持机器学习工作负载。该微处理器在60 kHz下运行，功耗低于6 mW，验证了其在实际应用中的有效性。

3. 实验还通过将Flex-RV组装到灵活印刷电路板（FlexPCB）上，验证了其在平坦和紧密弯曲条件下的功能，结果显示性能变化平均不超过4.3%，确保了在机械应力下的可靠性。

4. 该研究表明Flex-RV在可穿戴设备、医疗设备和智能包装等新兴应用中的巨大潜力，为亚美元开放标准的非硅32位微处理器时代奠定了基础，并推动了智能、普适计算的发展。

【图文解读】

本文通过开源RISC-V指令集的灵活性与铟镓锌氧化物薄膜晶体管（IGZO TFT）的优势，具体来说，结合了低温工艺与可弯曲基底，进而首次研发了Flex-RV这款超低成本32位可弯曲微处理器，从而表征发现了其在60 kHz频率下运行时功耗低于6 mW的特性，最终揭示了其在动态弯曲条件下的良好性能稳定性，性能变化不超过4.3%。

针对当前可穿戴设备和智能包装领域对低成本、可弯曲微处理器的迫切需求，本文通过对Flex-RV的设计与实现进行深入分析，得到了其集成的可编程机器学习加速器可有效执行机器学习任务的结论，进而挖掘了其在新兴应用中的广泛潜力。在此基础上，通过对微处理器在灵活印刷电路板上组装后的功能验证及性能测试，着重研究了其在实际应用中的可靠性和适应性。这一系列研究不仅推动了非硅微处理器的发展，还为智能感应技术的嵌入提供了新的解决方案。

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。

【结论展望】

本文展示了Flex-RV这一创新型32位微处理器的研发成果，突显了开放硬件在推动科技进步中的重要作用。首先，Flex-RV利用开源RISC-V指令集，降低了开发成本，促进了更广泛的协作和创新。其次，通过使用铟镓锌氧化物薄膜晶体管，Flex-RV实现了低功耗和可弯曲的特性，满足了新兴市场对便携性和灵活性的需求。微处理器内部集成的可编程机器学习加速器，不仅扩展了指令集，还提高了其在处理智能任务时的性能。这些特点使Flex-RV在可穿戴设备、医疗器械和智能包装等领域具有广阔的应用前景。此外，Flex-RV的低成本使其能够进入以前受限的市场，推动了智能计算的普及。

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