Sirkuit terpadu

Sirkuit terpadu (bahasa Inggris: integrated circuit atau IC), yang juga dikenal sebagai microchip atau cukup disebut cip (chip), adalah sebuah rakitan kompak dari rangkaian elektronik yang terbentuk dari berbagai komponen elektronik seperti transistor, resistor, dan kapasitor beserta interkoneksinya.^[1] Komponen-komponen tersebut difabrikasi pada selembar material semikonduktor yang tipis dan rata (disebut sebagai cetakan atau die), yang paling umum terbuat dari bahan silikon.^[1]

Sirkuit terpadu merupakan bagian integral dari berbagai macam perangkat elektronik (termasuk komputer, ponsel pintar, dan televisi) yang menjalankan fungsi seperti pemrosesan data, kontrol, dan penyimpanan. Teknologi ini telah mentransformasi bidang elektronika dengan memungkinkan miniaturisasi perangkat, meningkatkan kinerja, serta mengurangi biaya produksi.

Karakteristik dan keunggulan

Dibandingkan dengan rangkaian yang dirakit dari komponen diskret, sirkuit terpadu memiliki ukuran yang jauh lebih kecil, lebih cepat, lebih hemat energi, dan lebih murah, sehingga memungkinkan penanaman jumlah transistor yang sangat tinggi. Kemampuannya untuk diproduksi secara massal, keandalan yang tinggi, serta pendekatan desain sirkuit terpadu yang terstandardisasi dan modular memfasilitasi penggantian cepat terhadap desain yang menggunakan transistor diskret.

Saat ini IC hadir di semua perangkat elektronik dan telah merevolusi teknologi modern. Produk-produk seperti prosesor komputer, mikrokontroler, prosesor sinyal digital serta cip pemrosesan tertanam pada peralatan rumah tangga menjadi fondasi bagi masyarakat kontemporer karena ukurannya yang sangat kecil, biayanya yang rendah, serta fungsionalitas yang serbaguna.

Perbandingan dengan komponen diskret

Sirkuit terpadu (IC) memiliki tiga keunggulan utama dibandingkan rangkaian lain dari komponen diskret, yaitu ukuran, biaya, dan performa:

• Ukuran dan biaya: Ukuran dan biayanya dapat ditekan karena cip beserta seluruh komponennya dicetak sekaligus sebagai satu kesatuan menggunakan teknik fotolitografi, bukan dirakit satu per satu per transistor. Selain itu, IC yang sudah dikemas mengonsumsi jauh lebih sedikit bahan baku dibandingkan rangkaian diskret.
• Performa: Dari segi performa, IC unggul karena komponen di dalamnya dapat beralih (switching) dengan sangat cepat dan hemat daya berkat ukurannya yang kecil dan jarak antarkomponen yang sangat dekat.
• Keterbatasan biaya awal: Kekurangan utama dari IC adalah tingginya biaya awal untuk proses perancangan desain serta modal yang sangat besar untuk membangun fasilitas pabrik pembuatannya. Biaya awal yang sangat tinggi ini membuat IC baru layak secara komersial jika diproduksi dalam jumlah yang sangat besar.

Sejarah dan penemuan

Konsep awal dan proyek perintis

Penemuan awal sirkuit terpadu dimulai sejak tahun 1949, ketika insinyur Jerman Werner Jacobi (Siemens AG) Diarsipkan 2012-10-11 di Wayback Machine. mengajukan hak paten untuk perangkat penguat semikonduktor dengan struktur yang mirip dengan sirkuit terpadu,^[2] yang menggunakan lima transistor termuat pada sebuah substrat dalam susunan penguat 2-tahap. Jacobi mengemukakan alat bantu pendengaran sebagai contoh tipikal aplikasi industri dari hak paten tersebut. Tetapi, tidak ada kabar mengenai pemakaian hak paten ini secara komersial luas pada saat itu.

Gagasan sirkuit terpadu dipikirkan oleh seorang ilmuwan radar yang bekerja untuk Royal Radar Establishment di Ministry of Defence, Geoffrey W.A. Dummer (1909–2002). Dummer mencetuskan gagasannya di depan publik pada perhelatan Symposium on Progress in Quality Electronic Components di Washington, D.C. pada 7 Mei 1952.^[3] Ia mencetuskan idenya di beberapa simposium lainnya, dan berusaha untuk membuat rangkaian seperti itu pada tahun 1956, tetapi tanpa keberhasilan.

Gagasan pendahulu dari sirkuit terpadu yaitu membuat kotak persegi kecil dari keramik (wafers), dan setiap persegi memuat satu miniatur komponen. Komponen tersebut kemudian disatukan dan dihubungkan dengan kabel untuk membentuk kisi dua atau tiga dimensi. Gagasan ini terlihat meyakinkan, dan pada tahun 1957 diajukan kepada Angkatan Darat A.S. oleh Jack Kilby, yang menghasilkan proyek Micromodule Program (serupa dengan Project Tinkertoy tahun 1951) yang berumur pendek.^[4] Tetapi, seiring berjalannya proyek ini, Kilby memikirkan sebuah gagasan lain yang sekarang dikenal sebagai rangkaian terpadu (integrated circuit).

Penemuan sirkuit terpadu monolitik

Robert Noyce mengakui peranan Kurt Lehovec yang bekerja di Sprague Electric, dalam artikel "Microelectronics" yang ditulisnya pada majalah Scientific American edisi September 1977 (Volume 23, Nomor 3, hlm. 63–69), atas kontribusi prinsip isolasi sambungan p-n, yang disebabkan oleh sambungan p-n yang dibias (diode), sebagai komponen dasar sirkuit terpadu.^[5]

Kilby yang baru dipekerjakan oleh Texas Instruments menuliskan idenya tentang sirkuit terpadu pada Juli 1958, dan kemudian sukses membuat sebuah sirkuit terpadu yang dapat bekerja pada 12 September 1958.^[6] Dalam aplikasi patennya pada 6 Februari 1959, Kilby mendeskripsikan perangkat barunya sebagai “tubuh dari bahan semikonduktor ... di mana semua komponen sirkuit elektronik terpadukan sepenuhnya.”^[7] Penemuan baru ini pertama kali digunakan oleh Angkatan Udara Amerika Serikat.^[8]

Kilby dihargai Nobel Prize pada tahun 2000 di bidang Fisika untuk peranannya dalam penemuan sirkuit terpadu.^[9] Karya Kilby diberi nama IEEE Milestone pada tahun 2009.^[10]

Noyce juga memikirkan ide mengenai sirkuit terpadu setengah tahun lambat setelah Kilby. Cip yang dibuatnya dapat menangani beberapa masalah praktikal yang tidak dapat ditangani oleh cip oleh Kilby. Cip oleh Noyce dibuat di Fairchild Semiconductor, menggunakan material silikon, sedangkan cip oleh Kilby menggunakan material germanium.

Perkembangan gerbang swaselaras (CMOS)

Fairchild Semiconductor juga adalah asal teknologi sirkuit terpadu menggunakan silikon dengan gerbang swaselaras (self-aligned gate), yang merupakan dasar dari teknologi CMOS yang digunakan di hampir semua cip komputer saat ini. Teknologi self-aligned gate ini dikembangkan oleh fisikawan Italia Federico Faggin pada tahun 1968. Ia kemudian pindah ke Intel untuk mengembangkan Central Processing Unit (CPU) pertama dalam sebuah cip tunggal (Intel 4004), yang kemudian membawanya pada penghargaan National Medal of Technology and Innovation pada tahun 2010.

Generasi dan tingkat integrasi

Pada mulanya sirkuit terpadu hanya dapat memuat beberapa transistor dalam sebuah cip, akibat ukuran transistor yang besar dan produksinya yang belum efisien. Karena jumlah transistor yang sedikit ini, proses mendesain sirkuit terpadu tergolong mudah. Seiring berkembangnya teknologi ini, jutaan, bahkan baru-baru ini miliaran^[11] transistor dapat dimuat dalam sebuah cip, dan dibutuhkan perencanaan yang baik untuk membuat desain yang baik. Saat ini, desain sirkuit terpadu dilaksanakan dengan bantuan perangkat lunak yang disebut CAD tools / EDA.

SSI, MSI, dan LSI

• Small-Scale Integration (SSI): Sirkuit terpadu awal hanya memuat beberapa transistor dan digolongkan sebagai small-scale integration (SSI), yaitu sirkuit digital yang memuat beberapa puluh transistor atau beberapa gerbang logika dasar. Contoh SSI yaitu linear IC seperti Plessey SL201 atau Philips TAA320 yang hanya memiliki dua transistor. Istilah Large Scale Integration pertama kali digunakan oleh ilmuwan IBM, Rolf Landauer saat menjelaskan konsep,^{[butuh rujukan]} yang selanjutnya melahirkan istilah SSI, MSI, VLSI, dan ULSI.

  SSI digunakan pada proyek-proyek awal kedirgantaraan, dan mendorong perkembangan teknologi sirkuit terpadu sebagaimana teknologi-teknologi lainnya. Minuteman missile dan Apollo program menggunakan komputer digital yang ringan untuk sistem panduan inersialnya (inertial guidance); komputer pemandu Apollo mendorong kemajuan teknologi sirkuit terpadu hingga dapat diproduksi secara massal.^[12] Program rudal Minuteman dan banyak program Angkatan Laut lainnya adalah pasar bagi sirkuit terpadu yang bernilai sebesar $4 miliar pada tahun 1962, dan pada tahun 1968, anggaran pemerintah A.S. merupakan 37% dari total produksi sebesar $312 juta. Anggaran dari pemerintah A.S. ini mendorong teknologi baru ini hingga biaya produksi turun dan dapat diaplikasikan dalam industri dan kemudian konsumen. Harga rata-rata sebuah cip turun dari $50,00 pada tahun 1962 menjadi $2,33 pada tahun 1968.^[13] Sirkuit terpadu mulai muncul pada produk konsumen di akhir dekade, dan aplikasi tipikalnya yaitu pemrosesan suara inter-carrier FM pada penerima sinyal di televisi.

• Medium-Scale Integration (MSI): Sirkuit terpadu SSI berkembang menjadi medium-scale integration (MSI) pada akhir tahun 1960-an, ditandai dengan munculnya cip yang memuat beberapa ratus transistor. MSI memiliki keuntungan ekonomis karena walaupun harganya lebih mahal sedikit dibandingkan SSI, MSI memungkinkan sistem yang lebih kompleks diwujudkan dalam sebuah cip dan menghasilkan lebih sedikit komponen untuk dirakit pada papan sirkuit.
• Large-Scale Integration (LSI): Pada pertengahan tahun 1970-an, large-scale integration (LSI), yaitu sirkuit terpadu dengan beberapa puluh ribu transistor per cip berhasil diwujudkan. Sirkuit terpadu seperti RAM 1 kbit, cip untuk kalkulator, dan mikroprosesor awal, yang diproduksi pada awal tahun 1970-an, mempunyai sekitar 4.000 transistor. LSI dengan kurang lebih 10.000 transistor diproduksi sekitar tahun 1974 untuk memori utama pada komputer dan mikroprosesor generasi kedua.

VLSI dan era modern

Teknologi VLSI (Very-large-scale integration) mulai praktis digunakan berkat kemajuan teknologi dalam fabrikasi perangkat semikonduktor. Sejak awal kemunculannya di tahun 1960-an, ukuran, kecepatan, dan kapasitas cip telah berkembang sangat pesat. Hal ini didorong oleh kemajuan teknis yang mampu memuat semakin banyak transistor ke dalam cip dengan ukuran yang sama.

Sebagai gambaran, sebuah cip modern saat ini mampu menampung miliaran transistor di area seluas kuku jari manusia. Kemajuan ini secara garis besar mengikuti hukum Moore, membuat cip komputer masa kini memiliki kapasitas jutaan kali lipat dan kecepatan ribuan kali lipat dibandingkan dengan cip komputer dari awal tahun 1970-an.

Sejak tahun 1980-an hingga saat ini, VLSI telah diproduksi untuk banyak aplikasi. Pada awal tahun 1980-an, jumlah transistor dalam sebuah cip berkisar beberapa ratus ribu transistor dan mencapai beberapa miliar transistor pada tahun 2009.

Beragam teknologi dibutuhkan untuk meningkatkan densitas sirkuit terpadu. Produsen beralih pada proses teknologi yang lebih kecil untuk memuat lebih banyak transistor dalam sebuah cip mengikuti hukum Moore. Rangkuman dan prediksi mengenai proses teknologi sirkuit terpadu dituangkan dalam International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Design tools telah memudahkan automasi bagi desain sirkuit terpadu. Akibat membengkaknya konsumsi daya seiring naiknya densitas sirkuit terpadu, teknologi CMOS, yang memiliki disipasi daya yang lebih rendah, digunakan untuk menggantikan teknologi NMOS dan PMOS.

Contoh

• Pewaktu 555
• IC logika seri 7400
• Intel 4004
• Intel seri x86

Lihat pula

• Kelangkaan sirkuit terpadu
• Fotolitografi
• Hukum Moore
• Semikonduktor

Referensi