感应水处理器

“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

据《自然》网站9日报道，美国Quantinum量子计算公司研究人员称，他们首次在量子处理器上“制造出”了任意子（Anyons），这一成果有望促进容错量子计算机的研发。相关报告已经提交论文预印本网站。　　组成物质世界的基本粒子通常根据其携带的自旋分为两类：自旋为整数的玻色子（如光子）和自旋为半整数的费米子（如电子），但1977年两位挪威科学家提出一个令人惊讶的新理论：在二维空间中存在某种粒子，其行为服从介于玻色统计和费米统计之间的新的分数统计。美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主维尔泽克将这类准粒子命名为任意子。　　物理学家预测，当任意子交换位置或相互循环（编织）时，准粒子的量子态就会改变。编织某些类型的任意子可能是构建更好量子计算机的有用技术。当前的量子计算机极易出错，而编织过的任意子在存储信息上可更好地不受错误干扰，这使其有助科学家开发更具容错能力的量子计算机。　　在最新研究中，研究人员使用了名为H2的新型量子处理器，该处理器使用镱和钡离子通过磁场和激光捕获来创造量子比特。研究团队将这些量子比特编织成笼目图案（一个由交错的三角形组成的网络），得到量子比特的量子力学特性与预测的任意子相同。　　普渡大学实验物理学家米歇尔曼夫拉认为，尽管最新研究结果令人印象深刻，但并没有真正产生任意子，只是模拟了它们的一些性质。不过，研究人员表示，粒子的行为符合定义，它们仍然可成为量子计算的基础。

科技日报北京6月19日电 （记者张梦然）据近日发表在《科学进展》上的一篇论文，英国牛津大学研究人员开发了一种使用光的偏振来实现最大化信息存储密度的设备。新研究使用多个偏振通道展开了并行处理，计算密度比传统电子芯片提高了几个数量级。自1958年第一块集成电路发明以来，将更多晶体管封装到特定尺寸的电子芯片中，一直是实现最大化计算密度的首选方法。然而，人工智能和机器学习需要专门的硬件突破现有计算的界限，因此电子工程领域面临的主要问题是：如何将更多功能打包到单个晶体管中？科学家已知不同波长的光不会相互影响，同样，不同偏振的光也不会相互影响。因此，每个极化都可作为一个独立的信息通道，使更多信息可存储在多个通道中，这就大大提高了信息密度。而光子学相对于电子学的优势在于，光在大带宽上速度更快，功能也更强大。新研究的目标就是充分利用光子学与可调谐材料相结合的这些优势，实现更快、更密集的信息处理。鉴于此，十多年来，牛津大学研究人员一直致力于使用光作为计算手段。团队此次开发了一种HAD（混合活性电介质）纳米线，该纳米线使用一种混合玻璃材料，该材料在光脉冲照射时具有可切换的特性，每条纳米线都显示出对特定偏振方向的选择性响应，因此可使用不同方向的多个偏振同时处理信息。利用这个概念，研究人员开发出第一个利用光偏振的光子计算处理器。光子计算通过多个偏振通道进行，纳米线则由纳秒光脉冲调制，与传统电子芯片相比，其计算速度更快，计算密度因此提高了几个数量级。研究人员表示，对于人们希望看到的未来愿景来说，现在仅仅是个开始，这种偏振光子计算处理器结合了电子、非线性材料和复杂计算，已经是一个超级令人兴奋的想法。总编辑圈点 　　随着传统电子芯片尺寸越来越小，芯片上的晶体管数量接近极限，摩尔定律也日益逼近“天花板”。这些年，科学家和工程师们开始为芯片发展寻找新的“增长点”，利用光子计算便是思路之一。例如，2015年美国科学家研发出用光处理信息的光电子芯片，它依旧使用电子来计算，但是可以直接使用光来处理信息。上述成果则利用了光的偏振特性。这些研究都为芯片迭代升级提供了更多可能。