EN
Tautan Cepat
Elektronik modern benar-benar mulai berkembang ketika tiga orang di Bell Labs—William Shockley, John Bardeen, dan Walter Brattain—menciptakan transistor titik kontak pada tahun 1947. Sebelum ini, segala sesuatu bergantung pada tabung vakum yang besar dan boros listrik serta rentan rusak. Perangkat semikonduktor baru yang mereka kembangkan jauh lebih kecil, menggunakan listrik jauh lebih sedikit, dan memungkinkan perangkat elektronik menyusut secara drastis dalam ukuran. Beberapa tahun kemudian pada tahun 1951, Shockley mengembangkan versinya yang disebut transistor junction yang kinerjanya lebih baik seiring waktu dan membuat produksi komponen ini menjadi praktis untuk digunakan secara luas di berbagai industri. Hal ini pada dasarnya membuka pintu bagi berbagai inovasi elektronik yang saat ini kita anggap hal yang wajar.
Yang pertama transistor mengandalkan germanium karena bahan tersebut cukup baik sebagai material semikonduktor. Namun muncul masalah ketika suhu melebihi sekitar 75 derajat Celsius, yang membuatnya tidak andal untuk sebagian besar aplikasi industri. Situasi berubah sekitar pertengahan 1960-an ketika silikon mulai mengambil alih sebagai material pilihan. Silikon mampu menahan panas yang jauh lebih tinggi, kebocoran arus lebih rendah, dan bekerja lebih baik dengan isolator oksida yang sedang menjadi standar di industri. Seiring berkembangnya metode untuk menumbuhkan kristal dan menambahkan pengotor melalui proses doping, produsen mulai memproduksi wafer silikon secara konsisten. Perkembangan ini ternyata sangat penting untuk membuat semikonduktor semakin kecil dan lebih kuat dari waktu ke waktu.
Pada tahun 1958, Jack Kilby dari Texas Instruments dan Robert Noyce dari Fairchild Semiconductor menghasilkan sesuatu yang sangat revolusioner: sirkuit terpadu. Keajaiban kecil ini menempatkan semua komponen elektronik terpisah ke dalam satu keping silikon, alih-alih tersebar di papan rangkaian. Melompat ke pertengahan tahun 70-an, integrasi skala besar mulai berkembang pesat, memadatkan puluhan ribu transistor mini ke dalam setiap chip. Hal ini sejalan dengan prediksi Gordon Moore pada masa itu mengenai bagaimana daya komputasi akan berlipat ganda setiap beberapa tahun. Seiring waktu, perbaikan dalam teknik seperti fotolithografi dan metode yang lebih baik dalam pembuatan chip datar benar-benar mengukuhkan peran silikon sebagai raja dunia digital. Kemajuan-kemajuan ini memungkinkan tidak hanya komputer sehari-hari kita, tetapi juga perangkat seperti smartphone, server yang menjalankan situs web, bahkan bagian dari pusat data modern yang menjaga internet tetap berjalan.
Hukum Moore pada dasarnya menyatakan bahwa jumlah transistor pada sebuah chip kira-kira berlipat ganda setiap dua tahun, dan ini telah mengarahkan kemajuan komputer sejak Gordon Moore membuat prediksi terkenalnya pada tahun 1965. Jika melihat angkanya, ukuran transistor turun dari sekitar 10 mikrometer pada era 70-an menjadi kurang dari 5 nanometer saat ini di tahun 2023, yang benar-benar meningkatkan kecepatan maupun efisiensi kerja chip-chip ini. Dulu ada yang disebut penskalaan Dennard yang menjaga konsumsi daya tetap stabil saat transistor semakin kecil, namun hal ini mulai runtuh sekitar tahun 2004 karena masalah arus bocor dan pengelolaan panas. Menurut Laporan Penskalaan Semikonduktor terbaru dari tahun 2024, semua ini mendorong industri beralih ke penggunaan inti ganda alih-alih hanya mempercepat inti tunggal, sehingga produsen kini lebih fokus pada pemrosesan paralel daripada berusaha meningkatkan kecepatan clock.
Ketika kita masuk ke dimensi sub-5nm, segalanya mulai menjadi sangat rumit karena efek tunneling kuantum dan kapasitansi parasit yang mengganggu. Elektron tidak lagi berperilaku seperti yang diharapkan, mereka cenderung menyusup melewati penghalang gerbang melalui efek tunneling. Hal ini menciptakan berbagai arus bocor yang bahkan dapat mengonsumsi sekitar 30% dari total daya dalam sebuah chip menurut penelitian Ponemon tahun lalu. Dan kondisinya semakin memburuk ketika melihat efek saluran pendek yang mengganggu stabilitas tegangan ambang. Variasi meningkat sekitar 15% pada node-node kecil ini seperti yang dicatat dalam studi IEEE pada tahun 2022. Semua masalah ini saling bertumpuk dan membuat pengelolaan kepadatan daya menjadi sangat menantang. Akibatnya, para produsen harus berinvestasi besar-besaran dalam sistem pendingin yang canggih, sesuatu yang biasanya menambah biaya produksi secara keseluruhan antara 20% hingga 40% untuk chip-chip mutakhir ini.
Jumlah transistor terus meningkat, tetapi metode penskalaan konvensional sudah tidak banyak diminati lagi oleh para ahli. Menurut jajak pendapat IEEE tahun lalu, sekitar dua pertiga dari insinyur semikonduktor berpendapat bahwa Hukum Moore pada dasarnya telah mencapai batasnya. Hanya sekitar satu dari sepuluh yang memperkirakan kita akan melihat chip silikon praktis di bawah 1nm dalam waktu dekat. Kebanyakan perusahaan kini mengalihkan fokus ke penumpukan chip 3D dan penggabungan komponen yang berbeda, alih-alih berusaha mengecilkan semua elemen menjadi satu kesatuan. Melihat tren terkini, dunia teknologi tampaknya semakin kurang peduli pada seberapa kecil ukuran transistor, dan lebih menekankan pada seberapa baik seluruh sistem bekerja secara terintegrasi. Ini menandai pergeseran besar dalam cara memandang kemajuan sesungguhnya dalam pengembangan semikonduktor.
Beralih dari transistor planar datar ke struktur FinFET 3D yang canggih merupakan perubahan besar dalam mengontrol aliran listrik dengan lebih baik. Kuncinya adalah melapisi gerbang (gate) di sekeliling sirip silikon kecil yang berdiri tegak, sehingga mengurangi kebocoran arus yang tidak diinginkan dan memungkinkan pengecilan komponen hingga di bawah 22 nanometer. Kemudian muncul transistor nanosheet yang mengembangkan konsep ini lebih jauh, memungkinkan para insinyur menyesuaikan lebar saluran konduksi sesuai dengan tegangan yang perlu ditangani. Berdasarkan temuan industri, desain tiga dimensi ini tetap berfungsi dengan baik bahkan pada ukuran di bawah 3nm, sesuatu yang tidak mungkin dicapai dengan desain planar lama saat skala mencapai sekitar 28nm karena masalah kebocoran dan pemborosan daya menjadi sangat parah.
Desain transistor Gate-all-around (GAA) membawa teknologi FinFET ke tingkat berikutnya dengan membungkus saluran secara lengkap menggunakan material gate dari semua arah. Cakupan penuh ini memberikan kontrol yang jauh lebih baik terhadap sifat listrik dan mengurangi kebocoran yang tidak diinginkan sekitar 40 persen. Selain itu, perangkat ini beralih antar status lebih cepat dan tetap bekerja optimal ketika diperkecil melewati batas 2nm. Sementara itu, struktur Complementary FET (CFET) mendorong kemajuan lebih lanjut dengan menumpuk transistor tipe-n dan tipe-p secara vertikal satu di atas lainnya. Susunan cerdas ini menggandakan jumlah komponen logika yang dapat muat dalam ruang yang sama tanpa memerlukan tambahan area permukaan chip. Pendekatan GAA dan CFET keduanya mengatasi beberapa masalah serius yang dihadapi produsen saat berusaha mengelola efek elektrostatik dan mengoptimalkan tata letak seiring penyusutan fitur semikonduktor hingga skala atom.
Pabrik semikonduktor terkemuka kini semakin mendekati proses fabrikasi sub-2nm, meskipun menurut proyeksi saat ini transistor gate-all-around (GAA) diperkirakan baru akan mencapai produksi massal sekitar tahun 2025. Sebagian besar peta jalan industri kini berfokus pada peningkatan kinerja dengan penggunaan daya yang lebih rendah, bukan hanya memasukkan lebih banyak transistor ke dalam chip. Beberapa fasilitas percontohan telah mulai bereksperimen dengan teknik hybrid bonding untuk membuat struktur 3D monolitik yang canggih, menunjukkan bahwa perusahaan sedang memikirkan sistem secara lebih menyeluruh. Peluncuran teknologi-teknologi ini yang lambat menunjukkan alasan mengapa begitu banyak dana terus mengalir ke peralatan litografi mutakhir dan sistem deposisi tingkat lanjut. Tanpa peningkatan mahal ini, seluruh industri akan cepat mengalami stagnasi.
Integrasi 3D monolitik memungkinkan produsen membuat beberapa lapisan aktif pada satu substrat menggunakan teknik fabrikasi berurutan. Ketika digabungkan dengan teknologi CMOS bertumpuk, konfigurasi ini memungkinkan integrasi sirkuit logika tepat di sebelah komponen memori. Kita mulai melihat hal-hal seperti SRAM yang kini ditempatkan langsung di bawah inti pemroses. Namun demikian, masalah termal antar lapisan serta pengiriman sinyal dari satu lapisan ke lapisan lainnya masih menjadi tantangan. Meskipun begitu, perkembangan terbaru dalam metode manufaktur suhu rendah ditambah dengan peningkatan pada via silikon tembus (sambungan kecil yang menembus langsung melalui wafer silikon) mengindikasikan kemungkinan produk nyata akan hadir di pasaran untuk akselerator AI dan perangkat komputasi edge sekitar tahun 2026. Beberapa ahli berpendapat bahwa skala spasial semacam ini mungkin bisa mempertahankan Hukum Moore selama sekitar sepuluh tahun lagi sebelum kita menghadapi batas berikutnya.
Bahan-bahan yang disebut dikalkogenida logam transisi, atau TMD untuk singkatnya, mencakup bahan seperti molibdenum disulfida (MoS2) dan tungsten diselenida (WSe2). Bahan-bahan ini sangat tipis pada tingkat atom dan memungkinkan elektron bergerak melalui mereka dengan cukup cepat. Ketika kita melihat fitur semikonduktor yang sangat kecil, TMD ini dapat mencapai rasio arus hidup/mati di atas 10 pangkat 8 saat beroperasi hanya pada 0,7 volt. Ini sebenarnya sekitar 74 persen lebih baik daripada yang dapat dicapai silikon menurut penelitian terbaru dari IMEC pada tahun 2023. Cara bahan-bahan ini tersusun dalam lapisan-lapisan membantu mengendalikan efek saluran pendek yang mengganggu, bahkan ketika ukuran fitur turun hingga sekitar 5 nanometer. Karena sifat ini, banyak peneliti meyakini bahwa TMD bisa menjadi blok bangunan penting untuk chip komputer generasi berikutnya dan perangkat logika lainnya di tahun-tahun mendatang.
Terlepas dari potensinya, adopsi luas TMD terhambat oleh kepadatan cacat selama deposisi skala wafer. Epitaksi area selektif telah mengurangi keadaan perangkap sebesar 63%, namun kepadatan cacat di bawah 3% masih diperlukan untuk manufaktur volume tinggi—suatu tolok ukur yang hingga kini baru tercapai di lingkungan laboratorium (Roadmap Semikonduktor 2024).
Transistor yang terbuat dari nanotube karbon sebenarnya dapat menggerakkan elektron dalam garis lurus tanpa hamburan ketika panjangnya sekitar 15 nanometer. Hal ini memberikan kecepatan pensaklaran yang hampir tiga kali lebih cepat dibandingkan dengan teknologi FinFET silikon tradisional. Namun ada kendalanya. Para peneliti masih mengalami kesulitan dalam mengendalikan kiralitas (yang menentukan sifat listrik) dan mendapatkan hasil doping yang konsisten, sehingga sulit untuk memproduksi perangkat yang andal secara konsisten. Grafena menunjukkan kasus lain yang menarik. Meskipun memiliki konduktivitas luar biasa, grafena tidak memiliki celah pita alami yang membuatnya tidak cocok untuk sirkuit digital standar. Namun demikian, beberapa penelitian yang menjanjikan sedang dilakukan dengan kombinasi lapisan grafena dan boron nitrida heksagonal. Struktur hibrida ini mungkin menemukan penggunaan khusus dalam aplikasi tertentu di mana karakteristik uniknya dapat dimanfaatkan secara efektif.
Dorongan untuk menghadirkan material 2D ke dalam produksi reguler berfokus pada metode deposisi lapisan atom yang bekerja dengan baik bersama dielektrik-k-tinggi seperti HZO. Data terbaru dari kelompok industri pada tahun 2024 menunjukkan bahwa sebagian besar fasilitas fabrikasi telah mulai menguji peralatan untuk material ini. Sekitar 8 dari 10 jalur produksi kini memiliki jenis peralatan tertentu untuk pengolahan material 2D. Namun, masih ada masalah di tahap akhir produksi di mana koneksi logam baru perlu dibuat. Masalahnya adalah sensitivitas terhadap panas karena banyak proses tidak dapat melebihi suhu 400 derajat Celsius tanpa merusak komponen. Keterbatasan suhu ini memaksa para insinyur untuk mencari solusi kreatif agar dapat menghubungkan material canggih ini secara tepat tanpa mengorbankan kinerjanya.
Jumlah perangkat IoT diperkirakan akan mencapai sekitar 29 miliar pada tahun 2030, yang berarti transistor harus mengonsumsi kurang dari 1 mikroampere dalam mode siaga agar perangkat tetap beroperasi secara efisien. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa sirkuit subthreshold bersama dengan transistor efek medan tunnel yang akhir-akhir ini banyak dibicarakan dapat mengurangi arus bocor hingga hampir 60 persen dibandingkan dengan teknologi MOSFET standar. Apa artinya hal ini bagi aplikasi dunia nyata? Hal ini memungkinkan sistem pemantauan lingkungan dan bahkan beberapa perangkat medis implan untuk beroperasi selama bertahun-tahun dengan satu kali pengisian daya, sambil tetap mempertahankan daya pemrosesan yang cukup untuk menjalankan fungsinya dengan baik. Industri semikonduktor benar-benar mendorong inovasi-inovasi ini karena mereka menyadari betapa pentingnya baterai tahan lama di berbagai bidang.
Transistor silikon karbida (SiC) dan gallium nitrida (GaN) terbaru mencapai efisiensi sekitar 99,3% ketika digunakan dalam inverter surya, yang membantu mengurangi sekitar 2,1 juta ton emisi CO2 setiap tahun secara keseluruhan. Studi terkini dari laporan infrastruktur energi menunjukkan bahwa komponen pensaklaran canggih ini telah mengurangi kehilangan daya sekitar 40% dalam aplikasi jaringan pintar sejak angka tahun 2020 dicatat. Para produsen kini juga beralih ke teknik pengemasan tingkat wafer. Pendekatan ini tidak hanya mengurangi kehilangan resistif yang mengganggu, tetapi juga kompatibel dengan peralatan fabrikasi 300mm yang ada tanpa memerlukan perubahan besar pada fasilitas produksi.
Chip neuromorfik yang menggunakan FET ferroelektrik (FeFET) mencapai efisiensi energi 1.000 kali lebih baik per operasi sinaptik dibandingkan GPU—memungkinkan penerapan AI yang efisien di tepi jaringan. Transistor film tipis organik fleksibel kini mencapai mobilitas hingga 20 cm²/V·s dan tahan terhadap 500 siklus lentur, mendukung monitor kesehatan yang tahan lama dan dapat dicuci.
Desain transistor modern menyeimbangkan arus ON (ION), kecepatan pensaklaran, biaya, dan daya tahan berdasarkan kebutuhan aplikasi. Transistor kelas otomotif beroperasi secara andal pada suhu 175°C, sementara varian biomedis memenuhi persyaratan ketat tingkat kegagalan 0,1% selama masa pakai 15 tahun. Pendekatan yang spesifik terhadap aplikasi ini memastikan kemajuan teknologi terwujud menjadi keandalan dan nilai nyata.
Apa terobosan besar yang dilakukan oleh Bell Labs pada tahun 1947?
Pada tahun 1947, para ilmuwan dari Bell Labs menciptakan transistor kontak titik. Ini memungkinkan perangkat elektronik menjadi jauh lebih kecil dan lebih efisien dibandingkan tabung vakum yang sebelumnya digunakan.
Mengapa silikon menjadi bahan yang lebih disukai dibandingkan germanium dalam transistor?
Silikon menggantikan germanium sebagai bahan semikonduktor yang lebih disukai pada pertengahan 1960-an karena mampu menangani suhu yang lebih tinggi, memiliki kebocoran yang lebih sedikit, dan bekerja lebih baik dengan isolator oksida.
Apa itu Hukum Moore dan mengapa hal ini penting?
Hukum Moore memprediksi bahwa jumlah transistor pada sebuah chip akan berlipat ganda kira-kira setiap dua tahun, mendorong kemajuan dalam daya komputasi dan efisiensi.
Apa itu teknologi FinFET dan GAA?
FinFET dan Gate-All-Around (GAA) adalah arsitektur transistor canggih yang menawarkan kontrol listrik yang lebih baik dan mengurangi kebocoran, sehingga cocok untuk ukuran chip yang lebih kecil.
Apa itu material 2D dan perannya dalam teknologi transistor?
material 2D, seperti TMDs, mengandung lapisan atom yang tipis yang memungkinkan pergerakan elektron lebih baik, memberikan potensi keuntungan efisiensi dibandingkan lapisan silikon tradisional untuk semikonduktor masa depan.
Bagaimana inovasi transistor berkontribusi terhadap efisiensi energi?
Inovasi transistor, termasuk desain dengan konsumsi daya ultra-rendah dan material yang efisien dalam penggunaan energi, secara signifikan mengurangi konsumsi daya pada perangkat IoT, teknologi surya, dan jaringan pintar.