Sejarah IC (Sirkuit Terpadu): Dari Satu Transistor sampai Miliaran

Anda mungkin membawa puluhan chip setiap hari tanpa menyadarinya: di ponsel, jam tangan, mobil, dan hampir semua peralatan rumah. Chip-chip ini adalah sirkuit terpadu (IC). Sebuah IC menempatkan transistor, resistor, kapasitor, dan kabel di antara keduanya pada sepotong kecil bahan semikonduktor. Gagasan itu mengubah elektronika sepenuhnya.

Sebelum IC: masalah sirkuit diskret

Pada pertengahan abad kedua puluh, sirkuit elektronik dibangun dari komponen terpisah seperti tabung vakum, resistor, dan kapasitor, yang disolder satu per satu dengan tangan. Komputer awal ENIAC memakai puluhan ribu tabung vakum dan memenuhi sebuah ruangan besar. Tabung panas, sering rusak, dan memakan tempat, sehingga membuat sirkuit lebih kompleks sangat sulit.

Transistor, yang ditemukan di Bell Labs pada 1947, mengurangi ukuran dan konsumsi daya. Namun masalah lama tetap ada. Ketika sebuah sirkuit memiliki ribuan komponen, setiap sambungan yang dibuat dengan tangan adalah peluang untuk gagal. Para insinyur menyebutnya tirani angka: semakin banyak komponen yang dibutuhkan, semakin banyak sambungan yang harus dibuat, dan jumlah sambungan itu bertambah sangat cepat.

1958: Jack Kilby dan chip germanium pertama

Jack Kilby, seorang insinyur di Texas Instruments, mengajukan pertanyaan sederhana: mengapa tidak membuat transistor, resistor, dan kapasitor dari satu bahan yang sama? Pada September 1958, ketika sebagian besar perusahaan sedang libur, ia mendemonstrasikan sirkuit yang bekerja, dibuat dari germanium. Kawat emas tipis menghubungkan komponen-komponen di atas batang kecil. Tampilannya kasar dibandingkan chip modern, tetapi ia membuktikan bahwa seluruh sirkuit bisa hidup di atas satu bahan. Sirkuit itu menghasilkan osilasi, yang menunjukkan bahwa ia benar-benar bekerja.

Kilby berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 2000 atas karya ini, bersama dua peneliti lain di bidang perangkat semikonduktor.

1959: Robert Noyce dan IC silikon planar

Beberapa bulan kemudian, Robert Noyce di Fairchild Semiconductor mengembangkan versi yang lebih praktis. Ia memakai silikon alih-alih germanium dan proses planar, yang menumbuhkan lapisan oksida pelindung di permukaan silikon. Pola dicetak dengan fotografi dan dietsa dengan asam. Sambungannya adalah lapisan logam tipis di permukaan, sehingga tidak ada kawat emas yang dipasang dengan tangan. Metode ini lebih andal, lebih mudah diulang dalam produksi, dan menjadi fondasi manufaktur chip.

Tahun 1960-an: IC masuk pasar dan militer

Pembeli besar pertama adalah proyek antariksa dan pertahanan. Rudal Minuteman Amerika Serikat memerlukan komputer pemandu yang kecil, ringan, dan andal, dan IC sangat cocok untuk kebutuhan itu. Produsen menjual banyak chip kepada lembaga pemerintah pada awal 1960-an. Harga per chip masih tinggi, tetapi peningkatan volume produksi segera menurunkannya.

Pada 1965, Gordon Moore dari Fairchild menulis artikel yang memperkirakan bahwa jumlah transistor pada satu chip akan berlipat ganda kira-kira setiap satu sampai dua tahun. Prediksi ini dikenal sebagai Hukum Moore. Ia memberi industri sebuah target dan mendorong para insinyur untuk terus menemukan perbaikan selama beberapa dekade.

Tahun 1970-an: mikroprosesor dan teknologi MOS

Pada 1971, Intel merilis Intel 4004, mikroprosesor pertama yang menempatkan unit pemrosesan lengkap dalam satu chip. Chip ini memiliki sekitar 2.300 transistor dan berjalan lambat menurut standar masa kini, tetapi ia membuka jalan bagi komputer kecil di kalkulator, pengontrol, dan kemudian komputer pribadi.

Pada saat yang sama, teknologi MOS (metal-oxide-semiconductor) menjadi praktis dan memakai daya lebih sedikit daripada desain sebelumnya. Jumlah transistor per chip tumbuh lebih cepat, dan integrasi skala menengah dan besar (MSI dan LSI) menjadi hal yang biasa.

Tahun 1980-an dan 1990-an: VLSI dan komputer pribadi

Chip memasuki era VLSI (very large scale integration), dengan ratusan ribu lalu jutaan transistor dalam satu chip. Intel 386, yang diperkenalkan pada 1985, memiliki sekitar 275.000 transistor. Permintaan komputer pribadi membuat pasar chip jauh lebih besar, dan persaingan mendorong ukuran fitur turun dari beberapa mikrometer menjadi di bawah satu mikrometer.

CMOS menjadi teknologi utama pada periode ini karena memakai daya lebih sedikit. Hal ini penting bagi komputer, dan kemudian bagi ponsel serta perangkat portabel lainnya.

Abad ke-21: miliaran transistor

Sejak sekitar tahun 2000, masalah utama industri adalah panas, arus bocor, dan biaya manufaktur, bukan hanya ukuran yang lebih kecil. Para insinyur beralih ke struktur transistor tiga dimensi seperti FinFET, chip bertumpuk, dan chiplet, yaitu blok-blok kecil yang digabungkan dalam satu kemasan.

Chip modern berisi puluhan miliar transistor. Banyak perusahaan merancang chip mereka sendiri untuk ponsel, komputer, dan server. Chip-chip ini memungkinkan pemrosesan gambar, suara, dan kecerdasan buatan di dalam perangkat kecil.

Pelajaran dari sejarah IC

• Sebuah gagasan sederhana, menempatkan banyak komponen pada satu bahan, mengubah seluruh industri.
• Manufaktur sama pentingnya dengan desain. Proses planar Noyce adalah contoh yang jelas.
• Kebutuhan militer dan antariksa memberi teknologi baru ini pasar sejak awal.
• Hukum Moore adalah sekaligus prediksi dan target yang membuat para insinyur terus mencari gagasan baru.

Kesimpulan

Dari sirkuit germanium dengan beberapa kawat emas sampai chip silikon dengan puluhan miliar transistor, sejarah IC adalah kisah membuat hal-hal yang kompleks menjadi lebih kecil, lebih murah, dan lebih andal. Setiap kali Anda memakai ponsel atau kalkulator, Anda memakai hasil dari gagasan itu.