Rabu, 14 November 2018

Apa Yang Terjadi Setelah Silicon?

Photo : Getty

Silicon adalah raja dunia komputasi. Hampir semua sirkuit terpadu komersial telah didasarkan pada silikon dan, untuk sebagian besar, pada proses dasar tunggal yang disebut oksida logam komplementer (CMOS).

Tapi ujung silikon mungkin terlihat. Bahkan raksasa industri IBM mengakui bahwa hari-hari silikon diberi nomor. Tapi kenapa? Dan apa yang akan menggantikannya?

Ada rakit seluruh material baru dan penggantian sebagian untuk silikon sebentar lagi. Tapi saya bisa menulis kalimat itu dua dekade lalu mungkin bahkan sampai tahun 1980. Namun silikon tetap dominan.

Mari kita lihat mengapa itu dominan dan materi apa yang akhirnya bisa menjatuhkan silikon (dan germanium) keluar dari kursi panas.


Mengapa Silicon?
Untuk memahami mengapa kita berakhir dengan silikon, kita harus kembali ke awal. Ketika fisikawan John Bardeen, Walter Houser Brattain, dan William Shockley muncul dengan transistor pertama, materi yang mereka gunakan adalah germanium.

Germanium adalah semikonduktor yang sangat baik: Daya efisien dan dapat dialihkan dengan sangat cepat. Namun dalam dekade-dekade berikutnya, germanium berotot keluar dari pasar semikonduktor massa karena lebih mudah untuk mendapatkan silikon berkualitas tinggi.

Begitu silikon menjadi dominan, investasi dalam meningkatkan perangkat silikon telah membuatnya tetap di atas. Ini bukan karena para insinyur dan manajer tidak menyadari manfaat dari bahan lain, tetapi karena membuat sirkuit terpadu membutuhkan pengetahuan yang mendalam tentang bagaimana bahan (atau kombinasi material) akan merespons proses yang digunakan untuk membuat chip. Semua pengetahuan itu, 40 tahun dalam pembuatan, bisa hilang dengan beralih bahan.

Apakah materinya kompatibel dengan CMOS, teknologi manufaktur yang dominan? Itu pertanyaan pertama, dan untuk beberapa, satu-satunya pertanyaan. Jika jawabannya tidak ya, Anda mulai mengalami kerugian besar.

Mengapa Harus Bahan Baru?
Dengan adanya pembatasan ini, mengapa kita bahkan mencari bahan baru?

Jawabannya: kecepatan dan konsumsi daya.

Kecepatan pemrosesan tergantung pada banyak faktor, tetapi pada akhirnya semakin cepat transistor dapat diaktifkan, semakin tinggi kecepatan potensial prosesor. Sayangnya, daya yang dikonsumsi oleh timbangan sirkuit terintegrasi dengan kecepatan juga. Kecepatan tinggi pasti terkait dengan konsumsi daya yang lebih tinggi. Ini harus dikompensasi dengan mengurangi tegangan operasi sirkuit terpadu atau mengubah cara kerja saklar.

Contoh bagus tentang bagaimana materi baru dapat memberikan keuntungan ditemukan dalam perbedaan antara format memori yang berbeda: memori akses acak dinamis (DRAM) dan memori akses acak resistif (RRAM).

Komputer dan ponsel Anda mungkin dilengkapi dengan DRAM. Setiap chip DRAM pada dasarnya adalah sebuah kotak kapasitor kecil yang diisi untuk menyimpan satu dan dibuang untuk menyimpan nol. Sayangnya, kapasitor bocor, sehingga akhirnya akan menjadi nol. Untuk mencegah hal ini, muatan di setiap kapasitor diisi 15 kali per detik.

Masalah kedua adalah bahwa mengubah satu ke nol (dan sebaliknya) membutuhkan pengisian dan pemakaian kapasitor. Ini tergantung pada detail tata letak sirkuit, tetapi secara umum, pengisian / pengosongan cepat berarti chip harus mendukung semburan arus yang tinggi.

Ini adalah jenis beban yang biasanya memperpendek umur sirkuit terintegrasi. Jadi kompromi tercapai. Ayo lakukan dengan perlahan, karena akses ke RAM lambat.

Di sisi lain, RRAM menggunakan perubahan dalam resistansi material untuk menandakan satu atau nol. Ini tidak memerlukan penyegaran, dan menulis tidak membutuhkan arus yang tinggi.

Tapi itu memang membutuhkan perubahan materi. Biasanya, material PRAM terbuat dari oksida logam (pikirkan karat) yang hanya teroksidasi sebagian. Menerapkan tegangan menggeser oksigen di sekitar, menciptakan bahan yang sangat konduktif atau sangat mengisolasi  pilihan ada di tangan Anda.

Peralihan antara kondisi konduksi dan isolasi hanya memerlukan beberapa nanodetik. Arus untuk membaca dan menulis juga sangat kecil, sehingga RRAM memiliki potensi untuk kecepatan tinggi dan daya rendah.

Tetapi tidak semua pilihan material RRAM bekerja dengan CMOS, sehingga insinyur mungkin dipaksa untuk mengkompromikan kinerja untuk kemudahan fabrikasi jika mereka ingin tetap berada di jalur CMOS  atau melakukan CMOS yang tidak terpikirkan dan ditinggalkan.

Masalah Doping (The Doping Problem)
Kemudian kita datang ke transistor yang membentuk jantung prosesor apa pun. Secara independen apakah kita memilih germanium atau silikon, beberapa pengotor, seperti boron atau fosfor, harus sengaja ditambahkan (proses yang disebut doping) untuk menyesuaikan sifat listrik. Tingkat doping tipikal adalah sekitar satu atom fosfor per 1.000 atom silikon, misalnya.

Dalam fitur terkecil kami atau bagian dari transistor, yang kira-kira 14 nanometer, kita dapat berharap akan ada sekitar 100 atom fosfor - perubahan 10 atau lebih bukan masalah besar. Setelah kita sampai ke fitur yang hanya tiga nanometer, hanya akan ada satu atom fosfor per fitur. Atau tidak ada, atau tiga, tergantung pada keberuntungan undian.

Dan karena masing-masing fitur relatif terisolasi dengan baik dari sekelilingnya, sifat-sifat listrik dari masing-masing fitur akan sangat berbeda. Ini akan membuat rekayasa mimpi buruk. Solusinya membutuhkan bahan yang tidak memerlukan doping.

Mari kita lihat beberapa kemungkinannya.


Keripik Berbulu (Hairy Clips)
Materi yang secara rutin disebut-sebut sebagai masa depan komputasi adalah karbon nanotube: satu lembar atom karbon, disusun dalam pola heksagonal. Ujung-ujung lembaran ditarik ke atas dan disatukan untuk membuat sebuah tabung.

Karbon nanotube biasanya kurang dari dua nanometer dengan diameter tetapi dapat memperpanjang untuk mikron panjangnya. Ini memberi mereka potensi untuk membentuk banyak elemen sirkuit yang berbeda.
Rendering of hexagonal mesh pipe from carbon nanotubes. Photo: Getty

Dan kemajuan mereka cukup bagus. Dalam cara awal kembali pada akhir 1980-an peneliti menghasilkan kusut yang tidak terkendali dari nanotube karbon dengan segala macam diameter (tabung bahkan tumbuh dalam satu sama lain) dan campuran jenis logam dan semikonduktor. Hari ini, hampir mungkin untuk menumbuhkan karbon nanotube ke spesifikasi.

Tetapi nanotube yang tumbuh hanya setengah dari pertempuran. Para peneliti dengan cepat menunjukkan bahwa transistor yang fantastis dan elemen listrik lainnya dapat dibangun dari karbon nanotube. Anda hanya perlu kesabaran untuk secara individual memilih dan menempatkan nanotube di lokasi yang tepat dari sirkuit prefabrikasi. Ini adalah kebalikan dari manufaktur bervolume tinggi.

Baru-baru ini, telah menjadi mungkin untuk membuat sirkuit berdasarkan karbon nanotube, yang lokasinya tidak diketahui secara pasti. Sebagai gantinya, semua yang diperlukan adalah bahwa tabung-tabung itu semuanya berbaris di arah yang sama. Hal ini memungkinkan sirkuit sekitarnya untuk dibuat, mengetahui bahwa nanotube karbon akan menjembatani elektroda dan membentuk transistor.

Langkah tengah itu, meskipun mendapatkan nanotube karbon ke permukaan kanan masih belum siap untuk prime time. Saat ini, keadaan seni adalah menumbuhkan tabung lurus pada satu substrat dan kemudian menggunakan sejenis pita perekat berteknologi tinggi untuk memindahkan tabung ke wafer tempat Anda membuat sirkuit.

Saya tidak yakin apakah ada yang benar-benar akan mempertimbangkan siap untuk produksi bervolume tinggi. Namun, jika langkah itu dapat otomatis dan mempercepat, maka hal-hal akan mencari nanotube karbon.

Karbon Dua Dimensi (Two-Dimensional Carbon)
Graphene adalah materi lain dengan janji. Ia memiliki lebih banyak hype daripada karbon nanotube, dan untuk alasan yang bagus.

Pertama, graphene adalah satu lapisan atom karbon. Karena ini adalah lembaran, Anda dapat menggunakan banyak teknik yang sudah ada sebelumnya untuk membuat sirkuit di graphene. Tidak hanya itu, tetapi graphene juga semikonduktor yang cukup bagus dan memiliki potensi untuk memiliki kecepatan switching transistor yang mengungguli hampir semua material lainnya.

Karena memiliki konduktivitas panas yang sangat baik, Anda dapat membayangkan menumpuk sirkuit graphene di atas satu sama lain. Panas harus mengalir ke tepi luar sirkuit untuk disedot oleh sirkuit pendingin. Kedengarannya seperti bahan mimpi.
Graphene rendering. Photo: Getty

Kenyataannya kurang optimis. Semua sifat-sifat bagus itu? Mereka hanya ada di graphene yang sempurna. Tetapi kami tidak dapat membuat lembar graphene yang sempurna yang memanjang ke seluruh area yang diperlukan untuk sebuah chip. Bahkan, kami bahkan tidak dapat membuat lembaran graphene yang tidak sempurna di atas wafer untuk sirkuit terpadu.

Tidak, graphene harus ditumbuhkan pada beberapa material lain, seperti tembaga, dan kemudian dilepaskan dengan hati-hati dari tembaga dan dipindahkan ke substrat sirkuit terpadu. Setiap langkah dalam prosedur itu merusak graphene dan membuat propertinya kurang diinginkan. Bayangkan mengarang sebuah chip tetapi tidak tahu apakah ada lubang besar dalam materi yang Anda buat.

Lebih buruk lagi, karena graphene adalah lapisan tunggal, sifatnya berubah tergantung pada materi yang Anda tempatkan. Lapisan graphene yang sempurna harus dienkapsulasi dalam beberapa bahan inert sebelum dapat digunakan.

Kemudian Anda memiliki masalah dalam membuat transistor graphene. Graphene, seperti silikon, adalah semikonduktor. Silikon tidak berfungsi sampai Anda menerapkan tegangan sekitar 0,7 volt. Tegangan ekivalen Graphene adalah nol volt. Ya, itu semikonduktor yang berperilaku seperti logam. Jadi, dalam merancang rangkaian graphene, Anda harus memperkenalkan dopan untuk meningkatkan tegangan itu.


Anak Baru di Blok (The New Kid On The Block)
Yang membawa saya ke bahan menguntungkan akhir: molybdenum disulfida. Ini biasanya ditata sebagai bahan lapisan tunggal lainnya, seperti graphene, tetapi lembaran lengkap sebenarnya terdiri dari lapisan molibdenum yang diapit lapisan belerang.

Seperti dengan graphene, menciptakan sirkuit dengan molybdenum disulfida melalui proses fabrikasi standar adalah mungkin. Tidak seperti graphene, molybdenum disulfide berperilaku lebih seperti silikon, sehingga lebih mudah untuk membuat transistor yang baik. Namun, ia juga memiliki banyak sifat graphene yang lebih baik, sehingga transistor tersebut dapat cepat dan hemat daya.

Sayangnya, molybdenum disulfida juga seperti graphene yang harus ditanam pada satu substrat dan kemudian ditransfer (tanpa kerusakan) ke sebuah chip. Setelah itu, semua transistor dan koneksi di antara mereka dibuat. Meskipun ini bisa dilakukan, itu bukan proses yang cocok untuk produksi mikroprosesor yang cepat.


Semua Pilihan Ini: Siapakah Yang Menang?
Materi apa yang akan memberi kita jalan di luar silikon?

Materi baru yang telah kami diskusikan memiliki properti elektronik yang tepat untuk menggantikan silikon dan germanium. Tetapi langkah yang hilang adalah teknis: Bagaimana cara memproduksi sirkuit terpadu dengan cara yang sangat dapat direproduksi — dan melakukannya dengan cepat dan murah?

Di masa lalu, silikon dan germanium menghadapi masalah yang sama. Sulit untuk membuat proses fabrikasi yang matang. Sirkuit silikon dan germanium menciptakan pasar dan memimpin industri. Ketika para insinyur dan ilmuwan mengembangkan proses fabrikasi, setiap perbaikan dilakukan melalui proses yang ada pada material yang sama.

Pendatang baru harus menggantikan silikon dan germanium, yang berarti mereka tidak dapat memulai dengan hasil rendah, produk yang sangat mahal. Tidak cukup bagus untuk menawarkan proses yang mengalahkan yang terbaik sebelumnya dengan materi yang sama.

Sebaliknya, ia harus mengalahkan proses saat ini pada silikon, yang membuat penghalang untuk masuk sangat tinggi. Mengharapkan waktu tunggu yang lama sebelum bahan-bahan ini muncul di komputer rumah Anda.

Sumber : https://medium.com/@laserboy/what-comes-after-silicon-a812847932a8

Artikel Terkait

WHAT'S HOT

pasang iklan