Sulit untuk melebih-lebihkan seberapa besar keberadaan modern kita bertumpu pada perangkat yang dimulai sebagai alat audio sederhana. Sebelum pertengahan abad ke-20, peralatan elektronik berat, panas, dan tidak dapat diandalkan. Masyarakat bergantung pada tabung vakum untuk segala hal mulai dari radio hingga komputer awal. Mereka rapuh. Mereka sering kehabisan tenaga. Mereka menghasilkan panas yang cukup untuk membengkokkan peralatan. Lalu muncullah transistor.
Dikembangkan pada tahun 1947 oleh para insinyur di Bell Laboratories, tujuan awalnya sederhana. Mereka membutuhkan cara untuk memperkuat suara melalui saluran telepon. Tabung vakum adalah standarnya, tapi canggung. Perangkat baru menggantikannya dengan sesuatu yang solid-state. Itu lebih kecil. Itu lebih keren. Itu lebih bisa diandalkan.
Iterasi pertama adalah transistor kontak titik. Tingginya setengah inci. Kira-kira 1,27 sentimeter. Ia tidak terlalu kuat menurut standar saat ini, namun fisikawan segera melihat potensinya. Para insinyur mulai memasang saklar kecil ini ke radio dan perangkat elektronik lainnya. Mereka belajar mengecilkannya. Mereka belajar membuatnya lebih efisien.
Miniaturisasi tanpa henti ini menghasilkan lompatan besar pada tahun 1958. Para insinyur memasang dua transistor ke satu kristal silikon. Mereka menciptakan sirkuit terpadu yang pertama. Ini adalah jembatan menuju mikroprosesor. Jika komputer adalah sebuah tubuh, maka mikroprosesor adalah otaknya. Ini memproses data. Itu membuat perhitungan. Tanpa sirkuit terpadu, otak tersebut tidak akan pernah terbentuk.
Hukum Moore dan Silicon Crunch
Pada tahun 1960an, laju inovasi mempunyai nama yang terkenal. Gordon Moore, seorang ilmuwan komputer dan salah satu pendiri Intel, memperhatikan sebuah pola. Dia mengamati bahwa para insinyur menggandakan jumlah transistor pada satu inci persegi silikon setiap dua belas bulan. Itu terjadi seperti jarum jam. Ukurannya turun. Kepadatan meningkat.
Tren ini memberi kita komputer pribadi. Ponsel pintar. Pemutar MP3. Tanpa saklar kecil ini, kita masih akan menggunakan saklar mekanis dan mengandalkan tabung vakum untuk melakukan perhitungan dasar. Tren penyusutan ini berlanjut selama beberapa dekade. Namun hal itu tidak sesuai dengan prediksi awal Moore. Saat ini, siklus penggandaan memakan waktu sekitar 24 bulan. Ini lebih lambat. Tapi hasilnya sama saja. Kami mengemas lebih banyak daya ke ruang yang lebih kecil.
Jadi, seberapa kecilkah sebuah transistor? Pada tahun 1947, perangkat pertama itu tingginya lebih dari seperseratus meter. Pada tahun 2010-an, Intel memproduksi mikroprosesor dengan transistor yang lebarnya hanya 45 nanometer. Satu nanometer adalah sepersejuta meter. Skalanya sulit untuk dipahami.
Batasan Fisik dan Chip Masa Depan
Pabrikan sudah mengerjakan generasi berikutnya. Chip bergerak menuju transistor yang lebarnya hanya 32 nanometer. Namun beberapa fisikawan dan insinyur membunyikan alarm. Kita mungkin menghadapi batasan fisik yang mendasar. Efek kuantum mulai mengganggu ketika keadaan menjadi sekecil ini. Elektron menerobos penghalang yang tidak seharusnya mereka lewati. Panas menjadi mimpi buruk.
Sejarah transistor bukan hanya tentang teknik. Ini tentang dorongan tanpa henti kami untuk membuat segalanya menjadi lebih kecil. Lebih cepat. Lebih hemat. Kami menabrak dinding. Dinding adalah hukum fisika. Tapi kami terus mendorong. Beberapa tahun ke depan akan memberi tahu kita apakah kita berhasil atau sudah mencapai batas akhir produksi silikon.
Anatomi Transistor
Untuk memahami mengapa komputer mogok, pertama-tama Anda harus memahami apa itu transistor. Ini bukanlah sihir. Itu sebuah saklar. Dan bukan sembarang saklar. Ini adalah saklar yang dibangun dari materi yang berperilaku aneh di bawah tekanan.
Materi umumnya terbagi dalam tiga ember.
Konduktor membiarkan listrik mengalir dengan bebas. Pikirkan tembaga. Ia memiliki banyak elektron bebas yang siap bergerak.
Isolator memblokir aliran sepenuhnya. Kaca. Keramik. Elektronnya terjebak.
Lalu ada semikonduktor. Silikon berada di tengah. Ia mempunyai ruang elektron, tetapi tidak cukup untuk menghantarkan listrik seperti logam. Itu keras kepala. Ini membutuhkan dorongan.
Dorongan itu adalah kuncinya. Dengan mengubah kondisi, para insinyur memaksa silikon untuk beralih antara penghantar dan isolasi. Perilaku biner ini—hidup dan mati—adalah fondasi dari semua komputasi modern. Namun membuat silikon berperilaku memerlukan proses yang disebut doping.
Doping dan Substrat
Para insinyur memasukkan pengotor tertentu ke dalam silikon untuk mengubah sifat listriknya. Mereka memulai dengan bahan dasar yang disebut substrat.
Dalam contoh kita, kita melihat transistor tipe-n. Ini berarti substrat bermuatan positif.
Agar ini berfungsi, Anda memerlukan tiga terminal khusus di atas media tersebut:
- Sumber
- Tiriskan
- Gerbang
Gerbang itu terletak di antara sumber dan saluran pembuangan. Ini bertindak sebagai katup satu arah untuk tegangan. Ini memungkinkan listrik masuk ke dalam silikon, namun desainnya mencegahnya mengalir kembali.
Bagaimana? Gerbang dipisahkan dari substrat oleh lapisan oksida tipis. Isolator ini menghentikan elektron agar tidak melintasi langsung melalui terminal gerbang.
Dalam transistor tipe-n, sumber dan saluran bermuatan negatif. Ketika Anda menerapkan tegangan positif ke gerbang, sesuatu yang bersifat fisik terjadi di dalam silikon.
Saluran Elektron
Berikan tegangan positif ke gerbang.
Hal ini menarik elektron bebas dalam substrat bermuatan positif. Mereka menumpuk di lapisan oksida di bawah gerbang.
Ini menciptakan saluran elektron.
Jembatan konduktivitas terbentuk antara sumber dan saluran pembuangan.
Jika Anda kemudian mendorong tegangan positif ke saluran pembuangan, elektron mengalir. Mereka bergerak dari sumbernya, melalui saluran yang baru terbentuk, dan keluar ke saluran pembuangan.
Hapus tegangan dari gerbang? Daya tariknya hilang. Elektron berhamburan. Saluran itu runtuh.
Perhentian saat ini.
Beginilah cara transistor bertindak sebagai saklar.
- Tegangan pada gerbang = Aktif
- Tidak ada tegangan di gerbang = Mati
Komputer membaca keadaan biner ini sebagai bit. Satu. Nol. Satu. Nol. Seluruh kehidupan digital Anda dibangun di atas miliaran tombol fisik kecil yang berputar-putar.
Variasi Tipe-P
Kami menggunakan transistor tipe-n untuk kejelasan. Tapi transistor tipe-p juga ada.
Dalam pengaturan tipe-p, Anda membalikkan muatannya. Substrat diolah dengan bahan bermuatan negatif. Terminal membawa muatan positif. Logikanya tetap sama, tetapi sifat fisika pembawa muatan berubah.
Kebanyakan chip modern menggunakan kombinasi kedua jenis tersebut, yang dikenal sebagai teknologi CMOS, untuk meminimalkan konsumsi daya. Namun sebelum kita masuk ke arsitektur, kita harus menghadapi perangkat kerasnya.
Transistor pada Skala Nano
Masalahnya bukan pada konsepnya. Konsepnya berhasil. Masalahnya adalah ukuran.
Saat transistor menyusut agar dapat memuat lebih banyak transistor ke dalam sebuah chip, efek kuantum mulai merembes. Elektron menerobos penghalang yang seharusnya tidak dapat mereka lewati. Lapisan oksida menjadi sangat tipis sehingga elektron bocor bahkan ketika gerbangnya dimatikan.
Kebocoran ini membunuh masa pakai baterai. Ini menghasilkan panas. Dan itu menciptakan kesalahan.
Kami telah melakukan miniaturisasi transistor selama beberapa dekade. Kita kehabisan ruang untuk memperkecilnya tanpa melanggar hukum fisika.
Apa yang terjadi jika saklar itu sendiri menjadi tidak dapat diandalkan?
Mengapa Penyusutan Transistor Menghantam Dinding Fisik
Jurnalis suka memprediksi matinya Hukum Moore. Setiap tahun, seseorang menerbitkan artikel yang menyatakan bahwa transistor telah mencapai batas ukurannya. Kemudian para insinyur menemukan solusinya. Transistor menjadi lebih kecil. Prediksinya salah. Kita berada dalam siklus alarm palsu, sebagian karena para penulis enggan menyebut akhir permainan.
Tapi permainan akhirnya nyata. Ini bukan soal keterampilan teknik. Ini adalah masalah fisika.
Setelah Anda mencapai skala nano, Anda meninggalkan fisika klasik. Anda memasuki dunia mekanika kuantum. Di sini, materi dan energi bertindak berdasarkan aturan yang tampaknya berlawanan dengan intuisi. Anda bahkan tidak dapat mengamati sistem kuantum tanpa mengubah perilakunya.
Jika elektron dapat melewati gerbang dalam keadaan apa pun, tidak ada cara untuk mengontrol alirannya.
Masalah terbesarnya adalah penerowongan elektron. Anggap saja sebagai teleportasi. Jika penghalang material sangat tipis—sekitar satu nanometer, atau lebar sepuluh atom—elektron dapat melewatinya. Mereka tidak membuat lubang. Mereka tidak menerobos. Elektron menghilang begitu saja di satu sisi dan muncul kembali di sisi lain.
Gerbang seharusnya mengontrol aliran elektron. Jika elektron menerobos gerbang, kendali hilang. Anda mendapatkan transistor yang bocor. Prosesor menjadi tidak efektif. Bahkan mungkin tidak berfungsi.
Perusahaan seperti Intel sudah bekerja dengan transistor dengan lebar sekitar 32 nanometer. Lapisan oksida menjadi sangat tipis. Di masa lalu, para insinyur selalu menemukan cara untuk mengatasi hambatan ini. Mereka mengikuti Hukum Moore. Namun kali ini, mereka menghadapi hukum alam yang mendasar.
Insinyur mungkin menemukan isolator yang efektif pada ukuran satu nanometer. Itu mungkin. Namun demikian, tidak banyak yang bisa dilakukan dengan transistor tradisional. Di luar skala nano adalah skala atom. Di sini, materi hanya berukuran beberapa atom. Anda kehabisan bahan untuk dikerjakan.
Ini tidak berarti transistor akan hilang. Artinya pertumbuhan eksponensial dalam pengembangan mikroprosesor akan melambat. Ini akan menjadi datar. Peningkatan kekuatan pemrosesan mentah tidak akan berlanjut dengan kecepatan yang sangat tinggi.
Namun produsen masih akan mencari cara untuk meningkatkan efisiensi. Kinerja akan meningkat, hanya saja tidak secara eksponensial.
Ada kemungkinan lain. Pembuat mikroprosesor mencari alternatif pengganti transistor tradisional. Beberapa sudah mencoba memanfaatkan efek kuantum pada skala nano. Mereka mengubah nano-lemon menjadi nano-limun.
Hukum Moore mungkin hanya bertahan beberapa tahun lagi. Namun jika Anda melihat ke belakang beberapa dekade yang lalu, para jurnalis juga melontarkan klaim yang sama. Para insinyur mungkin melihat prediksi ini sebagai tantangan pribadi. Mereka akan terus mendorong. Namun hukum fisika sulit untuk dipatahkan.
Paket Kecil
Intel Atom adalah kumpulan prosesor kecil namun kuat yang dirancang untuk bekerja pada ponsel pintar.
