Inovasi MIT: Chip Mikroelektronika Lebih Efisien & Cepat

Revolusi Mikroelektronika: Mengintip Chip Masa Depan yang Lebih Hemat Energi

Dunia teknologi tak pernah berhenti berevolusi, dan kali ini, para peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) kembali menorehkan tinta emas dengan penemuan revolusioner di bidang mikroelektronika. Mereka berhasil mengembangkan metode fabrikasi baru yang menjanjikan era perangkat elektronik yang jauh lebih hemat energi. Bayangkan, komputasi yang lebih cepat, efisien, dan ramah lingkungan, sebuah impian yang kini selangkah lebih dekat menjadi kenyataan.

Inovasi ini berpusat pada kemampuan untuk menumpuk berbagai komponen fungsional di atas sirkuit yang sudah ada. Konsep ini mungkin terdengar sederhana, namun dampaknya sangat signifikan. Dalam desain sirkuit tradisional, perangkat logika (seperti transistor yang melakukan komputasi) dan perangkat memori (yang menyimpan data) dibangun secara terpisah. Akibatnya, data harus terus-menerus bolak-balik di antara keduanya, proses yang secara inheren membuang banyak energi. Inilah yang ingin dipecahkan oleh para ilmuwan MIT.

Mengatasi Pemborosan Energi dengan Desain Vertikal

Paradigma Baru Integrasi Elektronik

Platform integrasi elektronik terbaru ini memungkinkan para ilmuwan untuk membuat transistor dan perangkat memori dalam satu tumpukan yang ringkas pada sebuah chip semikonduktor. Pendekatan ini secara drastis mengurangi jarak tempuh data, menghilangkan sebagian besar energi yang terbuang percuma, sekaligus meningkatkan kecepatan komputasi secara signifikan. Ini seperti membangun apartemen bertingkat untuk data, di mana semua fasilitas penting berada dalam satu gedung, tidak perlu lagi bepergian jauh antar gedung yang berbeda.

Kunci dari kemajuan ini terletak pada dua aspek utama: material baru dengan properti unik dan pendekatan fabrikasi yang lebih presisi. Material baru ini membantu mengurangi jumlah cacat dalam struktur, memungkinkan pembuatan transistor yang sangat kecil dengan memori terintegrasi. Transistor ini tidak hanya bekerja lebih cepat daripada perangkat canggih yang ada saat ini, tetapi juga mengonsumsi listrik lebih sedikit dibandingkan transistor serupa. Sebuah kombinasi yang sulit ditandingi.

Implikasi untuk Teknologi Masa Depan

Peningkatan efisiensi energi pada perangkat elektronik ini sangat krusial, terutama mengingat lonjakan konsumsi listrik untuk komputasi, khususnya pada aplikasi yang sangat menuntut seperti AI generatif, pembelajaran mendalam (deep learning), dan tugas-tugas visi komputer. Di Indonesia, misalnya, adopsi AI dan komputasi awan terus meningkat, sehingga kebutuhan akan perangkat keras yang efisien energi menjadi sangat mendesak untuk menekan biaya operasional dan dampak lingkungan.

“Kita harus meminimalkan jumlah energi yang kita gunakan untuk AI dan komputasi berbasis data lainnya di masa depan karena ini tidak berkelanjutan. Kita akan membutuhkan teknologi baru seperti platform integrasi ini untuk melanjutkan kemajuan tersebut,” jelas Yanjie Shao, seorang postdoc MIT dan penulis utama dari dua makalah tentang transistor baru ini. Pernyataan ini menegaskan urgensi inovasi ini dalam menghadapi tantangan keberlanjutan energi global dan lokal.

Membalik Pendekatan Tradisional: Fabrikasi pada "Back End" Chip

Tantangan Fabrikasi dan Solusi Inovatif

Chip CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) standar secara tradisional memiliki "front end" tempat komponen aktif seperti transistor dan kapasitor dibuat, serta "back end" yang mencakup kabel penghubung (interkoneksi) dan ikatan logam lainnya. Namun, sebagian energi hilang ketika data bergerak antar ikatan ini, dan sedikit ketidaksejajaran dapat menghambat kinerja. Penumpukan komponen aktif akan mengurangi jarak tempuh data dan meningkatkan efisiensi energi chip.

Biasanya, sulit untuk menumpuk transistor silikon pada chip CMOS karena suhu tinggi yang diperlukan untuk membuat perangkat tambahan di "front end" akan merusak transistor yang sudah ada di bawahnya. Inilah kendala terbesar yang berhasil diatasi oleh para peneliti MIT. Mereka "membalik" masalah ini, mengembangkan teknik integrasi untuk menumpuk komponen aktif di "back end" chip.

“Jika kita bisa menggunakan platform ‘back-end’ ini untuk menempatkan lapisan aktif transistor tambahan, bukan hanya interkoneksi, itu akan membuat kepadatan integrasi chip jauh lebih tinggi dan meningkatkan efisiensi energinya,” jelas Shao. Pendekatan ini membuka jalan baru untuk desain chip yang lebih padat dan efisien tanpa mengorbankan integritas komponen yang sudah ada.

Peran Indium Oksida Amorf

Para peneliti berhasil mencapai terobosan ini dengan menggunakan material baru: indium oksida amorf, sebagai lapisan kanal aktif pada transistor "back-end" mereka. Lapisan kanal aktif adalah tempat fungsi penting transistor berlangsung. Berkat sifat unik indium oksida, mereka dapat "menumbuhkan" lapisan material yang sangat tipis ini pada suhu hanya sekitar 150 derajat Celsius di "back-end" sirkuit yang ada, tanpa merusak perangkat di "front-end". Ini adalah kunci keberhasilan yang memungkinkan fabrikasi suhu rendah dan penumpukan vertikal.

Menyempurnakan Proses dan Kinerja yang Memukau

Optimalisasi Fabrikasi Ultra-Tipis

Proses fabrikasi ini dioptimalkan dengan cermat untuk meminimalkan jumlah cacat (dikenal sebagai lowongan oksigen) dalam lapisan material indium oksida yang hanya setebal sekitar 2 nanometer. Meskipun beberapa cacat diperlukan agar transistor dapat berfungsi, terlalu banyak cacat justru akan mengganggu kinerja. Proses fabrikasi yang dioptimalkan ini memungkinkan para peneliti untuk memproduksi transistor yang sangat kecil yang beroperasi dengan cepat dan bersih, menghilangkan sebagian besar energi tambahan yang diperlukan untuk mengalihkan transistor antara status mati dan hidup.

Transistor Memori Terintegrasi dan Kecepatan Luar Biasa

Membangun di atas pendekatan ini, mereka juga berhasil membuat transistor "back-end" dengan memori terintegrasi yang hanya berukuran sekitar 20 nanometer. Untuk ini, mereka menambahkan lapisan material bernama hafnium-zirkonium-oksida feroelektrik sebagai komponen memori. Transistor memori yang ringkas ini menunjukkan kecepatan switching hanya 10 nanodetik, hampir mencapai batas instrumen pengukuran tim. Proses switching ini juga membutuhkan tegangan yang jauh lebih rendah daripada perangkat serupa, yang berarti konsumsi listrik yang lebih kecil lagi.

Karena transistor memori ini sangat kecil, para peneliti dapat menggunakannya sebagai platform untuk mempelajari fisika fundamental dari unit-unit individual hafnium-zirkonium-oksida feroelektrik. “Jika kita bisa lebih memahami fisika, kita bisa menggunakan material ini untuk banyak aplikasi baru. Energi yang digunakannya sangat minimal, dan itu memberi kita banyak fleksibilitas dalam cara kita merancang perangkat. Ini benar-benar bisa membuka banyak jalan baru untuk masa depan,” kata Shao, menyoroti potensi besar material ini.

Para peneliti juga bekerja sama dengan tim di University of Waterloo untuk mengembangkan model kinerja transistor "back-end". Ini adalah langkah penting sebelum perangkat tersebut dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit yang lebih besar dan sistem elektronik. Langkah ini memastikan bahwa desain teoritis dapat diterjemahkan menjadi perangkat yang berfungsi secara praktis.

Pandangan ke Depan: Menuju Sistem Elektronik yang Lebih Cerdas dan Efisien

Di masa mendatang, tim berencana untuk membangun demonstrasi ini dengan mengintegrasikan transistor memori "back-end" ke dalam satu sirkuit. Mereka juga ingin meningkatkan kinerja transistor lebih lanjut dan mempelajari cara mengendalikan sifat hafnium-zirkonium-oksida feroelektrik dengan lebih halus. Ini adalah langkah-langkah krusial untuk membawa teknologi ini dari laboratorium ke produk komersial.

“Sekarang, kita bisa membangun platform elektronik serbaguna di bagian ‘back-end’ sebuah chip yang memungkinkan kita mencapai efisiensi energi tinggi dan banyak fungsi berbeda dalam perangkat yang sangat kecil. Kami memiliki arsitektur perangkat dan material yang baik untuk dikerjakan, tetapi kami perlu terus berinovasi untuk mengungkap batas kinerja pamungkas,” tegas Shao, menggarisbawahi komitmen tim untuk terus mendorong batas-batas inovasi.

Dengan dukungan dari Semiconductor Research Corporation (SRC) dan Intel, serta fasilitas fabrikasi di MIT Microsystems Technology Laboratories dan MIT.nano, penelitian ini memiliki fondasi yang kuat untuk terus berkembang. Potensi teknologi ini untuk merevolusi industri elektronik, terutama dalam konteks kebutuhan komputasi yang terus meningkat di Indonesia, sangatlah besar. Bayangkan data center yang lebih hemat energi, ponsel yang lebih tahan lama, hingga perangkat AI yang lebih canggih tanpa membebani pasokan listrik. Masa depan mikroelektronika yang efisien energi semakin cerah berkat inovasi dari MIT ini.