尽管已经有近47年的历史,MOS Tech 6502—或其低功率的直接对应产品—仍在生产,并被广泛用于消费产品,如玩具、汽车和电器,以及嵌入式和工业应用中。看来对这种芯片不会很快消失。由于其简单的设计和庞大的现有知识和代码库,这种芯片可以在新兴的物联网和泛在计算世界中找到了新的用途。
在最近举行的2022年国际固态电路会议(ISSCC)上,鲁汶大学(荷兰语Katholieke Universiteit Leuven,简称KU Leuven)的一个研究小组与imec和PragmatIC Semi合作,展示了世界上最快的基于TFT的处理器Flex6502。

在柔性基底上使用薄膜技术制造的高度集成系统是一个有吸引力的研究领域,因为其成本相对较低,具有大规模生产的能力,以及它们可以提供的独特的使用案例,如在日常物品上实现电子电路的无缝集成。典型的硅片厚度为100多微米,而薄膜可以小于20微米,使其具有高度的可弯曲性。然而,在处理塑料电子器件时,有各种其他的权衡,如由于材料的流动性和器件的尺寸而导致的性能降低。对于Flex6502,研究人员利用了PragmatIC Semiconductor的0.8微米FlexLogIC制造线。

FlexLogIC技术是一种0.8微米的工艺,其实际通道长度约为800纳米,只有四个金属层。它是一种n型金属氧化物TFT技术,基于铟镓锌氧化物(IGZO),在厚度小于30微米的8英寸聚酰亚胺晶圆上制造。巧合的是,有一些主要的障碍阻碍了大型集成系统的大规模生产,与1970年代6502首次制造时工程师所面临的挑战没有太大区别。FlexLogIC晶圆厂存在着功耗高、噪声裕度差、工艺变化大等问题。除了是一种单一类型的工艺外,他们也只提供单一的Vt器件。此外,目前代工厂没有提供完全验证的设计遵循。


对于Flex6502,设计者为栅极和源/漏极分配了两个金属层,其余两层用于布线。为了解决IGZO TFT技术的设计限制,Flex6502采用了Pseudo-CMOS技术,这是东京大学在2010年的《IEEE电子器件专题报告》中首次描述的技术。该技术是专门为解决TFT技术的限制而发明的,它声称在利用单Vt单型设计的同时提供了与互补型和双VT设计相当的性能。此外,它还具有提供后加工可调性的优点,使其能够补偿工艺变异。与其他一些与TFT兼容的逻辑(如电阻式负载)相比,伪CMOS确实消耗了更多的面积。
为了解决在功率和时序方面缺乏完全验证的TFT物理实现流程的问题,该团队实施了一个完整的TFT设计流程。Flex6502依赖于网上提供的ag_6502 FreeCore,并进行了一些进一步的优化,如由于缺乏使用,取消了十进制模式,以减少其大小。该团队最初依靠一个由560个单元组成的标准代工厂标准单元库作为他们的起点,以合成他们的核心。冗余的单元被消除,不常用的单元被替换成其他等效的实现。最后,剩下的单元(共60个单元)被优化为N型单体单Vt TFT技术。这产生了一个23个单元的库。然后,研究人员为TFT技术的单元制作了一个原理图和布局设计,采用基于NOR的设计,最多有2个TFT下拉,用于芯片的制造。
总而言之,Flex6502被合成并制作成1718个标准单元,在24.9平方毫米的面积上集成了16393个TFT。设计中大约有18.6%是反相器,17.4%是NAND2,13.5%是NOR2,7.1%是AOI22。所有其他单元占剩余的43%。该芯片使用FPGA进行了验证和测试,它模拟了存储器、UART通信和时钟生成。该芯片达到了71.4kHz的最大工作速度(在Vdd=3V/Vbias=6V时),而最大消耗功率为134.91mW。同样,该芯片在2V时可运行到10kHz,而消耗的功率仅为11.6毫瓦。
