Sirkuit terpadu, juga dikenal sebagai microchip, chip, atau IC, adalah perangkat elektronik kecil yang terdiri dari beberapa komponen elektronik yang saling berhubungan seperti transistor, resistor, dan kapasitor. Komponen-komponen ini diukir pada sepotong kecil bahan semikonduktor, biasanya silikon. Sirkuit terpadu digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, termasuk komputer, ponsel cerdas, dan televisi, untuk melakukan berbagai fungsi seperti memproses dan menyimpan informasi. Sirkuit terpadu telah memberikan dampak besar pada bidang elektronik dengan memungkinkan miniaturisasi perangkat dan peningkatan fungsionalitas.
Sirkuit terintegrasi jauh lebih kecil, lebih cepat, dan lebih murah daripada sirkuit yang terbuat dari komponen terpisah, sehingga memungkinkan jumlah transistor yang besar.
Kemampuan produksi massal, keandalan, dan pendekatan blok bangunan IC untuk desain sirkuit terpadu telah memastikan adopsi cepat IC standar sebagai pengganti desain yang menggunakan transistor diskrit. IC sekarang digunakan di hampir semua peralatan elektronik dan telah merevolusi dunia elektronik. Komputer, ponsel, dan peralatan rumah tangga lainnya kini menjadi bagian penting dari struktur masyarakat modern, yang dimungkinkan oleh ukuran kecil dan biaya rendah IC seperti prosesor komputer modern dan mikrokontroler.
Integrasi skala sangat besar menjadi praktis karena kemajuan teknologi dalam fabrikasi perangkat semikonduktor. Sejak kemunculannya di tahun 1960-an, ukuran, kecepatan, dan kapasitas chip telah berkembang pesat, didorong oleh kemajuan teknis yang memuat lebih banyak transistor pada chip dengan ukuran yang sama - sebuah chip modern dapat memuat miliaran transistor dalam area seukuran kuku manusia. Kemajuan ini, secara kasar mengikuti hukum Moore, membuat chip komputer saat ini memiliki jutaan kali kapasitas dan ribuan kali kecepatan chip komputer di awal tahun 1970-an.
IC memiliki tiga keunggulan utama dibandingkan sirkuit yang dibuat dari komponen terpisah: ukuran, biaya, dan kinerja. Ukuran dan biayanya rendah karena chip, dengan semua komponennya, dicetak sebagai satu unit dengan fotolitografi daripada dibuat satu per satu transistor. Selain itu, IC yang dikemas menggunakan bahan yang jauh lebih sedikit daripada sirkuit diskrit. Performanya tinggi karena komponen IC beralih dengan cepat dan mengkonsumsi daya yang relatif kecil karena ukurannya yang kecil dan dekat. Kerugian utama dari IC adalah biaya awal yang tinggi untuk mendesainnya dan biaya modal yang sangat besar untuk pembangunan pabrik. Biaya awal yang tinggi ini berarti IC hanya layak secara komersial ketika volume produksi yang tinggi diantisipasi.
Terminologi
Sirkuit terpadu didefinisikan sebagai:
Sirkuit di mana semua atau beberapa elemen sirkuit tidak dapat dipisahkan dan saling berhubungan secara elektrik sehingga dianggap tidak dapat dipisahkan untuk tujuan konstruksi dan perdagangan.
Dalam penggunaan yang ketat, sirkuit terpadu mengacu pada konstruksi sirkuit satu bagian yang awalnya dikenal sebagai sirkuit terpadu monolitik, yang dibangun di atas satu bagian silikon. Dalam penggunaan umum, sirkuit yang tidak memenuhi definisi ketat ini kadang-kadang disebut sebagai IC, yang dibangun menggunakan berbagai teknologi, misalnya IC 3D, IC 2.5D, MCM, transistor film tipis, teknologi film tebal, atau sirkuit terpadu hibrida. Pilihan terminologi ini sering muncul dalam diskusi yang berkaitan dengan apakah Hukum Moore sudah usang.
Sejarah
Upaya awal untuk menggabungkan beberapa komponen dalam satu perangkat (seperti IC modern) adalah tabung vakum Loewe 3NF yang pertama kali dibuat pada tahun 1926. Tidak seperti IC, tabung ini dirancang dengan tujuan untuk menghindari pajak, karena di Jerman, penerima radio dikenakan pajak yang tergantung pada jumlah tabung yang dimiliki oleh penerima radio. Hal ini memungkinkan receiver radio memiliki satu tempat tabung. Satu juta unit telah diproduksi, dan merupakan "langkah pertama dalam integrasi perangkat radioelektronik". Perangkat ini berisi penguat, yang terdiri dari tiga trioda, dua kapasitor dan empat resistor dalam perangkat enam pin.
Konsep awal dari sirkuit terpadu kembali ke tahun 1949, ketika insinyur Jerman Werner Jacobi (Siemens AG) mengajukan paten untuk perangkat penguat semikonduktor seperti sirkuit terpadu yang menunjukkan lima transistor pada substrat yang sama dalam pengaturan penguat tiga tahap. Jacobi mengungkapkan alat bantu dengar yang kecil dan murah sebagai aplikasi industri yang khas dari patennya. Penggunaan komersial langsung dari patennya belum dilaporkan.
Pendukung awal konsep ini adalah Geoffrey Dummer (1909-2002), seorang ilmuwan radar yang bekerja untuk Royal Radar Establishment dari Kementerian Pertahanan Inggris. Dummer mempresentasikan ide tersebut kepada publik pada Simposium Kemajuan Komponen Elektronik Berkualitas di Washington, D.C., pada tanggal 7 Mei 1952. Dia memberikan banyak simposium di depan umum untuk menyebarkan idenya dan tidak berhasil membangun sirkuit semacam itu pada tahun 1956. Antara tahun 1953 dan 1957, Sidney Darlington dan Yasuo Tarui (Laboratorium Elektroteknik) mengusulkan desain chip yang serupa di mana beberapa transistor dapat berbagi area aktif yang sama, tetapi tidak ada isolasi listrik untuk memisahkan mereka satu sama lain.
Chip sirkuit terpadu monolitik dimungkinkan oleh penemuan proses planar oleh Jean Hoerni dan isolasi sambungan p-n oleh Kurt Lehovec. Penemuan Hoerni dibangun di atas karya Mohamed M. Atalla tentang pasivasi permukaan, serta karya Fuller dan Ditzenberger tentang difusi pengotor boron dan fosfor ke dalam silikon, karya Carl Frosch dan Lincoln Derick tentang perlindungan permukaan, dan karya Chih-Tang Sah tentang penyembunyian difusi oleh oksida.
Sirkuit terpadu pertama
Ide pendahulu IC adalah membuat substrat keramik kecil (disebut mikromodul), masing-masing berisi satu komponen miniatur. Komponen kemudian dapat diintegrasikan dan disambungkan ke dalam kisi-kisi ringkas dua dimensi atau tiga dimensi. Ide ini, yang tampak sangat menjanjikan pada tahun 1957, diusulkan kepada Angkatan Darat AS oleh Jack Kilby dan menghasilkan Program Mikromodul yang berumur pendek (mirip dengan Proyek Tinkertoy tahun 1951). Namun, saat proyek ini mendapatkan momentum, Kilby datang dengan desain baru yang revolusioner: IC.
Baru saja dipekerjakan oleh Texas Instruments, Kilby mencatat ide awalnya mengenai sirkuit terpadu pada bulan Juli 1958, dan berhasil mendemonstrasikan contoh kerja pertama dari sirkuit terpadu pada tanggal 12 September 1958. Dalam permohonan patennya pada 6 Februari 1959, Kilby menggambarkan perangkat barunya sebagai "sebuah benda dari bahan semikonduktor... di mana semua komponen sirkuit elektronik sepenuhnya terintegrasi". Pelanggan pertama untuk penemuan baru ini adalah Angkatan Udara AS. Kilby memenangkan Hadiah Nobel 2000 dalam bidang fisika untuk perannya dalam penemuan sirkuit terpadu.
Namun, penemuan Kilby bukanlah chip sirkuit terintegrasi monolitik yang sebenarnya karena memiliki koneksi kabel emas eksternal, yang akan menyulitkan untuk diproduksi secara massal. Setengah tahun setelah Kilby, Robert Noyce di Fairchild Semiconductor menemukan chip IC monolitik pertama yang sebenarnya. Lebih praktis daripada implementasi Kilby, chip Noyce terbuat dari silikon, sedangkan Kilby terbuat dari germanium, dan Noyce dibuat menggunakan proses planar, yang dikembangkan pada awal tahun 1959 oleh koleganya Jean Hoerni dan mencakup jalur interkoneksi aluminium pada chip yang sangat penting. Chip IC modern didasarkan pada IC monolitik Noyce, bukan Kilby.
Sirkuit terpadu TTL
Logika transistor-transistor (TTL) dikembangkan oleh James L. Buie pada awal 1960-an di TRW Inc. TTL menjadi teknologi sirkuit terpadu yang dominan selama tahun 1970-an hingga awal 1980-an.
Lusinan sirkuit terintegrasi TTL merupakan metode konstruksi standar untuk prosesor komputer mini dan komputer mainframe. Komputer seperti mainframe IBM 360, minikomputer PDP-11, dan desktop Datapoint 2200 dibuat dari sirkuit terintegrasi bipolar, baik TTL atau emitter-coupled logic (ECL) yang lebih cepat.
Sirkuit terpadu MOS
Sirkuit terpadu tiga dimensi, jumlah Transistor, dan Integrasi Skala Sangat Besar
Hampir semua chip IC modern adalah sirkuit terpadu metal-oksida-semikonduktor (MOS), yang dibuat dari MOSFET (transistor efek medan metal-oksida-silikon). MOSFET (juga dikenal sebagai transistor MOS), yang ditemukan oleh Mohamed M. Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs pada tahun 1959, memungkinkan untuk membangun sirkuit terpadu dengan kepadatan tinggi. Berbeda dengan transistor bipolar yang memerlukan sejumlah langkah untuk isolasi sambungan p-n transistor pada sebuah chip, MOSFET tidak memerlukan langkah-langkah tersebut tetapi dapat dengan mudah diisolasi satu sama lain. Keuntungannya untuk sirkuit terpadu ditunjukkan oleh Dawon Kahng pada tahun 1961. Daftar tonggak sejarah IEEE meliputi sirkuit terintegrasi pertama oleh Kilby pada tahun 1958, proses planar Hoerni dan IC planar Noyce pada tahun 1959, dan MOSFET oleh Atalla dan Kahng pada tahun 1959.
IC MOS eksperimental paling awal yang dibuat adalah chip 16-transistor yang dibuat oleh Fred Heiman dan Steven Hofstein di RCA pada tahun 1962. General Microelectronics kemudian memperkenalkan sirkuit terintegrasi MOS komersial pertama pada tahun 1964, sebuah shift register 120-transistor yang dikembangkan oleh Robert Norman. Pada tahun 1964, chip MOS telah mencapai kepadatan transistor yang lebih tinggi dan biaya produksi yang lebih rendah daripada chip bipolar. Chip MOS semakin meningkat dalam kompleksitas pada tingkat yang diprediksi oleh hukum Moore, yang mengarah pada integrasi skala besar (LSI) dengan ratusan transistor pada satu chip MOS pada akhir 1960-an.
Mengikuti pengembangan MOSFET gerbang mandiri (gerbang silikon) oleh Robert Kerwin, Donald Klein, dan John Sarace di Bell Labs pada tahun 1967, teknologi IC MOS gerbang silikon pertama dengan gerbang mandiri, yang menjadi dasar dari semua sirkuit terintegrasi CMOS modern, dikembangkan di Fairchild Semiconductor oleh Federico Faggin pada tahun 1968. Penerapan chip MOS LSI pada komputasi merupakan dasar dari mikroprosesor pertama, karena para insinyur mulai menyadari bahwa prosesor komputer yang lengkap dapat dimuat dalam satu chip MOS LSI. Hal ini menyebabkan penemuan mikroprosesor dan mikrokontroler pada awal tahun 1970-an. Pada awal tahun 1970-an, teknologi sirkuit terpadu MOS memungkinkan integrasi skala sangat besar (VLSI) lebih dari 10.000 transistor dalam satu chip.
Pada awalnya, komputer berbasis MOS hanya masuk akal jika dibutuhkan kepadatan tinggi, seperti pesawat ruang angkasa dan kalkulator saku. Komputer yang seluruhnya dibangun dari TTL, seperti Datapoint 2200 tahun 1970, jauh lebih cepat dan lebih bertenaga dibandingkan mikroprosesor MOS chip tunggal seperti Intel 8008 tahun 1972 hingga awal tahun 1980-an.
Kemajuan dalam teknologi IC, terutama fitur yang lebih kecil dan chip yang lebih besar, telah memungkinkan jumlah transistor MOS dalam sirkuit terpadu menjadi dua kali lipat setiap dua tahun, sebuah tren yang dikenal sebagai hukum Moore. Moore awalnya menyatakan bahwa jumlah transistor akan berlipat ganda setiap tahun, tetapi ia kemudian mengubah klaimnya menjadi setiap dua tahun pada tahun 1975. Peningkatan kapasitas ini telah digunakan untuk mengurangi biaya dan meningkatkan fungsionalitas. Secara umum, ketika ukuran fitur mengecil, hampir setiap aspek operasi IC meningkat. Biaya per transistor dan konsumsi daya switching per transistor turun, sementara kapasitas dan kecepatan memori naik, melalui hubungan yang ditentukan oleh penskalaan Dennard (penskalaan MOSFET). Karena kecepatan, kapasitas, dan peningkatan konsumsi daya terlihat jelas bagi pengguna akhir, terdapat persaingan ketat di antara produsen untuk menggunakan geometri yang lebih halus. Selama bertahun-tahun, ukuran transistor telah menurun dari puluhan mikron pada awal tahun 1970-an menjadi 10 nanometer pada tahun 2017 dengan peningkatan jutaan kali lipat pada transistor per satuan luas. Pada tahun 2016, luas area chip yang umum berkisar dari beberapa milimeter persegi hingga sekitar 600 mm2, dengan hingga 25 juta transistor per mm2.
Penyusutan ukuran fitur yang diharapkan dan kemajuan yang diperlukan di bidang terkait telah diperkirakan selama bertahun-tahun oleh Peta Jalan Teknologi Internasional untuk Semikonduktor (ITRS). ITRS terakhir dikeluarkan pada tahun 2016, dan digantikan oleh Peta Jalan Internasional untuk Perangkat dan Sistem.
Awalnya, IC adalah perangkat elektronik. Keberhasilan IC telah mengarah pada integrasi teknologi lain, dalam upaya untuk mendapatkan keuntungan yang sama yaitu ukuran yang kecil dan biaya yang rendah. Teknologi ini termasuk perangkat mekanis, optik, dan sensor.
-
Perangkat charge-coupled, dan sensor piksel aktif yang terkait erat, adalah chip yang peka terhadap cahaya. Perangkat ini sebagian besar telah menggantikan film fotografi dalam aplikasi ilmiah, medis, dan konsumen. Miliaran perangkat ini sekarang diproduksi setiap tahun untuk aplikasi seperti ponsel, tablet, dan kamera digital. Sub-bidang IC ini memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 2009.
-
Perangkat mekanis yang sangat kecil yang digerakkan oleh listrik dapat diintegrasikan ke dalam chip, sebuah teknologi yang dikenal sebagai sistem mikroelektromekanis (MEMS). Perangkat ini dikembangkan pada akhir tahun 1980-an dan digunakan dalam berbagai aplikasi komersial dan militer. Contohnya termasuk proyektor DLP, printer inkjet, dan akselerometer serta giroskop MEMS yang digunakan untuk menggunakan kantung udara mobil.
-
Sejak awal tahun 2000-an, integrasi fungsionalitas optik (komputasi optik) ke dalam chip silikon telah diupayakan secara aktif dalam penelitian akademis dan industri yang menghasilkan keberhasilan komersialisasi transceiver optik terintegrasi berbasis silikon yang menggabungkan perangkat optik (modulator, detektor, perutean) dengan elektronik berbasis CMOS. Sirkuit terpadu fotonik yang menggunakan cahaya seperti PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) dari Lightelligence juga sedang dikembangkan, dengan menggunakan bidang fisika baru yang dikenal sebagai fotonik.
-
Sirkuit terpadu juga sedang dikembangkan untuk aplikasi sensor dalam implan medis atau perangkat bioelektronik lainnya. Teknik penyegelan khusus harus diterapkan di lingkungan biogenik seperti itu untuk menghindari korosi atau biodegradasi bahan semikonduktor yang terpapar.
Pada tahun 2018, sebagian besar dari semua transistor adalah MOSFET yang dibuat dalam satu lapisan di satu sisi chip silikon dalam proses planar dua dimensi yang datar. Para peneliti telah menghasilkan prototipe dari beberapa alternatif yang menjanjikan, seperti:
-
berbagai pendekatan untuk menumpuk beberapa lapisan transistor untuk membuat sirkuit terpadu tiga dimensi (3DIC), seperti melalui silikon melalui, "3D monolitik", ikatan kawat bertumpuk, dan metodologi lainnya.
-
transistor yang dibuat dari bahan lain: transistor graphene, transistor molibdenit, transistor efek medan tabung nano karbon, transistor galium nitrida, perangkat elektronik kawat nano seperti transistor, transistor efek medan organik, dll.
-
fabrikasi transistor di seluruh permukaan bola kecil silikon.
-
modifikasi pada substrat, biasanya untuk membuat "transistor fleksibel" untuk layar fleksibel atau elektronik fleksibel lainnya, yang mungkin mengarah pada komputer gulung.
Karena semakin sulit untuk membuat transistor yang semakin kecil, perusahaan menggunakan modul multi-chip, sirkuit terpadu tiga dimensi, paket pada paket, Memori Bandwidth Tinggi, dan melalui silikon dengan penumpukan die untuk meningkatkan kinerja dan mengurangi ukuran, tanpa harus mengurangi ukuran transistor. Teknik-teknik tersebut secara kolektif dikenal sebagai pengemasan tingkat lanjut. Pengemasan tingkat lanjut terutama dibagi menjadi pengemasan 2.5D dan 3D. 2.5D menjelaskan pendekatan seperti modul multi-chip sementara 3D menjelaskan pendekatan di mana die ditumpuk dengan satu atau lain cara, seperti paket pada paket dan memori bandwidth tinggi. Semua pendekatan tersebut melibatkan 2 atau lebih cetakan dalam satu paket. Sebagai alternatif, pendekatan seperti 3D NAND menumpuk beberapa lapisan pada satu die. Sebuah teknik telah didemonstrasikan untuk menyertakan pendinginan mikrofluida pada sirkuit terintegrasi, untuk meningkatkan kinerja pendinginan serta pendingin termoelektrik peltier pada tonjolan solder, atau tonjolan solder termal yang digunakan secara eksklusif untuk pembuangan panas, yang digunakan pada flip-chip.
Disadur dari: en.wikipedia.org