Komputer CMOS 2D Memicu Era Baru Alternatif Silikon

Dalam dunia teknologi semikonduktor, yang menjadi dasar elektronik modern, silikon (Si) adalah bahan yang paling banyak digunakan.

Elemen kedua paling melimpah di Bumi setelah oksigen, silikon telah memungkinkan kemajuan dalam teknologi semikonduktor melalui miniaturisasi. Dari mikroprosesor hingga otomasi, komputer, smartphone, dan kendaraan listrik, ia telah menghasilkan terobosan dalam elektronik dengan secara signifikan mengurangi ukuran fisik perangkat.

Namun kini, tantangan dalam skala membuat perlu mengeksplorasi bahan baru. Di sini, material dua dimensi (2D) menunjukkan potensi untuk kemajuan luar biasa dalam kinerja perangkat pada tingkat atom.

Material 2D adalah nanomaterial ultratipis dengan satu lapisan atom. Mereka memiliki tingkat anisotropi dan fungsionalitas kimia yang tinggi, dan sifat elektronik yang menarik membuatnya dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Graphene adalah material 2D yang populer. 

Jadi, dengan ketebalan atomik dan mobilitas pembawa muatan yang tinggi, material 2D menawarkan alternatif yang menjanjikan. Kemajuan signifikan juga telah dicapai dalam pertumbuhan skala wafer, transistor efek medan (FET) berperforma tinggi, dan sirkuit berbasis material ini.

FET adalah jenis transistor yang menggunakan medan listrik untuk mengendalikan arus melalui semikonduktor. Sebagai komponen elektronik penting dalam elektronik modern, FET berfungsi sebagai saklar terkontrol dalam rangkaian daya bertegangan tinggi dan frekuensi tinggi.

Meskipun banyak kemajuan telah dicapai, mencapai integrasi complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) tetap menjadi tantangan. 

CMOS adalah jenis teknologi yang digunakan dalam pembuatan sirkuit terintegrasi, khususnya pada prosesor komputer, chip memori, dan perangkat digital lainnya. Teknologi ini membantu mengatur aliran listrik melalui komponen-komponen tersebut, yang penting untuk fungsi yang tepat.

Secara khusus, CMOS menggunakan transistor tipe-n (NMOS) dan tipe-p (PMOS) secara komplementer untuk mencapai fungsi logika. 

Transistor tipe-n menghantarkan listrik menggunakan elektron bermuatan negatif sebagai pembawa muatan utama dan memungkinkan arus mengalir. Pada transistor tipe-p, mayoritas pembawa muatan adalah hole (muatan positif), dan mereka memungkinkan arus mengalir dari sumber daya ke output.

Dalam CMOS, metal-oxide-semiconductor mengacu pada bahan yang digunakan dalam konstruksi transistor: logam untuk gerbang, oksida untuk isolasi, dan semikonduktor silikon untuk kanal. 

Yang membuat CMOS kuat adalah kemampuannya menciptakan sirkuit elektronik kompleks pada satu chip semikonduktor. Selain itu, transistor CMOS menggunakan daya lebih rendah dibandingkan teknologi lain karena hanya mengonsumsi daya saat beralih antara keadaan (on/off). Lebih jauh, sirkuit CMOS dikenal karena keandalannya yang tinggi.

Sekarang, peneliti dari Penn State telah mengatasi tantangan integrasi CMOS dengan material 2D. 

Apa yang mereka lakukan adalah mengembangkan komputer satu set instruksi 2D berbasis teknologi CMOS. Komputer ini memanfaatkan integrasi heterogen transistor efek medan tipe-n MoS2 area luas dan transistor tipe-p WSe2.

Tim berhasil mencapai arus drive tinggi dan mengurangi kebocoran subthreshold dengan menyesuaikan tegangan ambang untuk transistor 2D tipe-n dan tipe-p. Hal ini dicapai dengan memperkecil panjang kanal, dimana mereka menggabungkan dielektrik gerbang high-κ dan mengoptimalkan pertumbuhan material serta proses pasca perangkat.

Ini memungkinkan operasi sirkuit di bawah 3 V dengan frekuensi operasi hingga 25 kHz serta konsumsi daya ultra-rendah dalam kisaran pikowatt dan energi saklar sekitar 100 pJ.

Komputer CMOS 2D Penn State Mendorong Batas Atomik

Silikon adalah pemimpin dalam teknologi semikonduktor, tetapi tidak seperti unsur kimia ini, material 2D setebal satu atom dapat mempertahankan sifatnya pada skala tersebut.

Setelah mendorong “kemajuan luar biasa dalam elektronik selama beberapa dekade dengan memungkinkan miniaturisasi kontinu transistor efek medan (FET),” silikon menghadapi tantangan besar dalam membuat perangkat lebih baik dan lebih kecil. 

“Saat perangkat silikon menyusut, kinerjanya mulai menurun,” catat pemimpin studi, Saptarshi Das, yang merupakan Profesor Ackley di bidang Teknik dan profesor ilmu teknik serta mekanika di Penn State.

Sebaliknya, material 2D mempertahankan sifat elektronik luar biasa mereka bahkan pada ketebalan atomik, sehingga “menawarkan jalur yang menjanjikan.” Oleh karena itu, dalam pekerjaan pionir ini, tim peneliti menggunakan material 2D untuk mengembangkan komputer yang mampu melakukan operasi sederhana.

Dipublikasikan di Nature¹, studi yang didukung sebagian oleh Office of Naval Research, Army Research Office, dan National Science Foundation AS, merinci lompatan besar dalam mewujudkan elektronik yang lebih tipis, lebih cepat, dan lebih efisien energi.

Seperti yang disebutkan di atas, mereka telah menciptakan komputer CMOS tanpa bergantung pada silikon, sebuah metaloid tetravalent yang menunjukkan sifat antara logam dan nonlogam. Peneliti menggantinya dengan dua material 2D berbeda untuk mengembangkan dua jenis transistor yang diperlukan dalam komputer CMOS untuk mengontrol aliran listrik.

Untuk transistor tipe-n, mereka menggunakan molybdenum disulfide (MoS2), kelas material anorganik transition metal dichalcogenides (TMDC) 2D yang memiliki koefisien gesekan rendah, stabilitas termal yang luar biasa, dan tahan aus tinggi, tergantung pada kondisi tertentu. 

Untuk transistor tipe-p, digunakan tungsten diselenide (WSe2). Senyawa anorganik ini memiliki struktur kristal heksagonal mirip dengan molybdenum disulfide dan dikenal karena sifat elektronik uniknya, termasuk mobilitas pembawa muatan tinggi, celah pita yang cukup besar, dan rasio on-off yang luar biasa. 

Teknologi CMOS memerlukan semikonduktor tipe-n dan tipe-p bekerja bersama untuk mencapai kinerja tinggi dengan konsumsi daya rendah. Namun, hal ini telah menjadi tantangan utama yang menghambat upaya melampaui silikon. 

Dan meskipun studi telah menunjukkan bahwa sirkuit kecil berbasis material 2D dapat diskalakan menjadi komputer fungsional yang kompleks, pencapaian ini belum terwujud.

Menurut peneliti, itulah kemajuan kunci dari pekerjaan mereka. Untuk pertama kalinya, mereka telah membangun komputer CMOS sepenuhnya dari material 2D, menggabungkan transistor molybdenum disulfide dan tungsten diselenide yang ditumbuhkan pada area luas.

Untuk membuat transistor, tim menggunakan proses yang disebut metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). Dalam proses ini, bahan-bahan diuapkan, memaksa reaksi kimia dan mengendapkan produk pada substrat.

Dengan menggunakan MOCVD, tim menumbuhkan lembaran besar molybdenum disulfide dan tungsten diselenide serta membuat lebih dari 1.000 transistor masing-masing tipe. 

Kemudian, melalui perubahan hati-hati dalam fabrikasi perangkat dan pasca-pemrosesan, tim berhasil menyesuaikan tegangan ambang transistor tipe-n dan tipe-p, yang pada gilirannya memungkinkan pengembangan sirkuit logika CMOS yang berfungsi penuh.

Menurut Subir Ghosh, penulis pertama studi dan mahasiswa doktoral ilmu teknik serta mekanika:

“Komputer CMOS 2D kami beroperasi pada tegangan suplai rendah dengan konsumsi daya minimal dan dapat melakukan operasi logika sederhana pada frekuensi hingga 25 kilohertz.” 

Meskipun frekuensi operasi ini rendah dibandingkan dengan sirkuit CMOS silikon konvensional, Ghosh mencatat bahwa komputer mereka masih dapat melakukan operasi logika sederhana.

“Kami juga mengembangkan model komputasi, dikalibrasi menggunakan data eksperimental dan memasukkan variasi antar perangkat, untuk memproyeksikan kinerja komputer CMOS 2D kami dan membandingkannya dengan teknologi silikon mutakhir. Meskipun masih ada ruang untuk optimasi lebih lanjut, pekerjaan ini menandai tonggak penting dalam memanfaatkan material 2D untuk memajukan bidang elektronik.”

– Ghosh

Jadi, meskipun pencapaian besar, pekerjaan ini belum selesai. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengembangkan pendekatan komputer CMOS 2D untuk penggunaan yang lebih luas. Namun, Das menekankan percepatan perkembangan bidang ini dibandingkan dengan pengembangan teknologi silikon.

“Teknologi silikon telah dikembangkan selama sekitar 80 tahun, tetapi penelitian tentang material 2D relatif baru, baru muncul sekitar 2010. Kami memperkirakan bahwa pengembangan komputer material 2D akan menjadi proses bertahap, namun ini merupakan lompatan maju dibandingkan dengan trajektori silikon.”

– Das

Membangun Mikrochip dengan Material 2D pada Skala Besar

Beberapa bulan lalu, ilmuwan di China juga melaporkan pengembangan mikrochip² menggunakan molybdenum disulfide. Chip tersebut memiliki 5.931 transistor, masing-masing setebal tiga atom.

Molybdenum disulfide (MoS2) diyakini oleh ilmuwan dapat memungkinkan kelanjutan Hukum Moore setelah silikon tidak dapat memberikan kemajuan lebih lanjut.

“Meskipun material 2D telah dipromosikan secara luas selama lebih dari satu dekade, batasan nyata untuk pengembangan mereka saat ini bukanlah kinerja satu perangkat tunggal, karena banyak perangkat elektronik 2D bekerja sangat baik di tingkat laboratorium.”

– Wenzhong Bao, profesor di Universitas Fudan

Praktikabilitas material 2D dipertanyakan karena “kurangnya sistem teknologi terintegrasi yang dapat diskalakan, dapat diulang, dan kompatibel dengan proses industri,” tambahnya.

Jadi, tim menciptakan mikrochip baru bernama RV32-WUJI. Chip ini memiliki hampir 6.000 transistor MoS2 yang diproduksi menggunakan teknologi CMOS konvensional, menandai transisi dari penelitian laboratorium ke aplikasi rekayasa tingkat sistem.

Mikrochip dilengkapi dengan arsitektur RISC-V yang dapat mengeksekusi instruksi standar 32-bit. Prosesor baru dibangun di atas substrat safir isolasi yang memisahkan satu transistor dari transistor lainnya secara elektronik. Pustaka sel standar juga telah dikembangkan untuk RV32-WUJI, berisi 25 jenis unit logika untuk melakukan fungsi dasar. Untuk mengoptimalkan setiap langkah proses, tim menggunakan pembelajaran mesin. 

Para peneliti telah mencapai hasil produksi sebesar 99,77%. Chip juga hanya mengkonsumsi 0,43 milivatt daya saat melakukan operasi aritmetika. 

Sementara chip silikon memiliki jutaan kali lebih banyak transistor dan frekuensi operasi yang jauh lebih cepat dibandingkan perangkat baru ini, Bao mengatakan pekerjaan baru ini berbasis laboratorium, berbeda dengan semikonduktor berbasis silikon, yang telah menerima investasi sumber daya R&D yang sangat besar selama beberapa dekade terakhir. Jika industri mengadopsi semikonduktor 2D, “kami percaya kecepatan mengejar kinerja berbasis silikon akan lebih cepat daripada yang kami bayangkan,” tambahnya.

Material aktif 2D molybdenum disulfide (MoS2) baru-baru ini juga mendapatkan peningkatan platinum (Pt) pada tingkat atom dalam studi baru³ yang dilakukan oleh Universitas Wina dan Technische Universität Wien.

Para peneliti menanamkan atom Pt individual pada monolayer MoS2 yang sangat tipis dan, untuk pertama kalinya, menentukan posisi tepat mereka dalam kisi dengan presisi atom melalui pendekatan inovatif.

Pendekatan mereka, yang mengintegrasikan penciptaan cacat terarah dalam monolayer MoS2, deposisi platinum terkontrol, dan teknik pencitraan mikroskopik komputasional kontras tinggi, diyakini peneliti dapat membuka jalur baru untuk memahami dan merancang fitur skala atom dalam sistem 2D.

Melebihi CMOS: Material 2D Hibrida dan Jalur Kuantum

Peneliti telah lama mencari material baru untuk menggantikan silikon dalam elektronik generasi berikutnya. Material ini harus mampu memberikan kinerja lebih tinggi dan konsumsi daya lebih rendah sambil memiliki skalabilitas, yang cenderung mengarahkan mereka ke material 2D.

Sebuah kerja multi-institusional yang dipimpin bersama MIT beberapa tahun lalu sebenarnya mencapai dua terobosan teknis dan juga menjadi yang pertama melaporkan bahwa metode mereka, transition metal dichalcogenides (TMD), untuk menumbuhkan material semikonduktor akan membuat perangkat lebih cepat dan lebih efisien energi.

Untuk menciptakan material baru, tim harus mengatasi tiga tantangan pada skala wafer atau skala besar: memastikan kristalitas tunggal, heterostruktur vertikal, dan mencegah ketebalan tidak seragam.

Berbeda dengan material 3D, yang mengalami proses pengasaman dan penghalusan untuk mencapai material berpermukaan rata, material 2D tidak memungkinkan proses ini, menghasilkan permukaan yang tidak merata. Hal ini menyulitkan produksi material 2D berskala besar, berkualitas tinggi, dan seragam.

Jadi, tim membangun struktur terbatas yang mempromosikan kontrol kinetik material 2D, yang tidak hanya menyelesaikan semua tantangan tetapi juga memerlukan pertumbuhan benih yang didefinisikan sendiri untuk waktu pertumbuhan yang lebih singkat.

Terobosan teknis lainnya adalah menampilkan heterojunction TMD domain tunggal pada skala besar, lapis demi lapis. 

Penelitian tentang material 2D sebenarnya terus berkembang, dengan ilmuwan terus berusaha membuka fungsionalitas baru untuk masa depan yang lebih maju. 

Beberapa minggu yang lalu, ilmuwan material dari Rice University menciptakan hibrida 2D asli⁴ dengan mengintegrasikan secara kimia graphene dan kaca silika, dua material 2D yang secara fundamental berbeda, menjadi satu senyawa yang disebut glaphene.

Menurut penulis pertama studi, Sathvik Ajay Iyengar:

“Lapisan tidak hanya beristirahat satu di atas yang lain ⎯ elektron bergerak dan membentuk interaksi serta keadaan getaran baru, menghasilkan sifat yang tidak dimiliki masing-masing material secara terpisah.” 

Dalam upaya lintas benua ini, metode dua langkah, reaksi tunggal dikembangkan untuk menumbuhkan glaphene menggunakan prekursor kimia cair yang mengandung karbon dan silikon. Penyesuaian tingkat oksigen selama pemanasan memungkinkan mereka pertama-tama menumbuhkan graphene dan kemudian mengubah kondisi untuk mendukung pembentukan lapisan silika.

Secara khusus, metode ini dapat diterapkan pada berbagai material 2D, membuka pintu bagi pengembangan material 2D yang dirancang khusus untuk elektronik generasi berikutnya dan perangkat kuantum.

Ilmuwan di Korea juga telah memanfaatkan material semikonduktor 2D untuk menemukan keadaan kuantum baru⁵ yang dapat memperkuat komputer kuantum yang lebih stabil. Keadaan kuantum baru yang ditemukan ini juga dapat dimanfaatkan dalam chip semikonduktor 2D untuk mengendalikan informasi kuantum dengan lebih andal. 

Material kecil telah memimpin kemajuan besar dalam komputasi kuantum untuk beberapa waktu sekarang, dan penelitian terbaru dari Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) membuka jalur untuk perangkat dapat dikonfigurasi ulang baru untuk penyimpanan data. 

“Kami telah menemukan keadaan kuantum baru, yang dikenal sebagai keadaan sintesis eksiton‑Floquet, dan mengusulkan mekanisme baru untuk keterikatan kuantum dan ekstraksi informasi kuantum. Hal ini diharapkan dapat mendorong penelitian teknologi informasi kuantum pada semikonduktor dua dimensi.”

– Jaedong Lee of DGIST

Tahun lalu, ilmuwan dari JMU Würzburg dan TU Dresden, sementara itu, mengembangkan lapisan pelindung untuk material kuantum 2D guna melindungi mereka dari pengaruh lingkungan tanpa mengorbankan sifat revolusioner mereka. 

Para ilmuwan sebelumnya menemukan bahwa semikonduktor kuantum yang sangat tipis memerlukan peralatan vakum canggih dan material substrat khusus. Menggunakan material 2D dalam komponen elektronik berarti mengeluarkannya dari lingkungan vakum, namun bahkan paparan singkat ke udara menyebabkan oksidasi dan menghancurkan sifatnya, “menjadikannya tidak berguna.”

Jadi, tim mencari metode untuk melindungi lapisan sensitif dari elemen lingkungan menggunakan lapisan pelindung. Setelah dua tahun, mereka berhasil. Tim menggunakan peralatan ultra‑high vacuum canggih untuk bereksperimen dengan pemanasan silikon karbida sebagai substrat untuk indenene.

Tim melihat ini membuka jalan bagi aplikasi yang melibatkan lapisan atom semikonduktor yang sangat sensitif. Tim kini mengidentifikasi lebih banyak material van der Waals untuk berfungsi sebagai lapisan pelindung.

Berinvestasi dalam Teknologi Semikonduktor 2D

Secara aktif bekerja mengatasi tantangan penyusutan dimensi transistor, Applied Materials (AMAT ) memainkan peran signifikan dalam pengembangan dan skala semikonduktor 2D. Ini sebenarnya salah satu dari sedikit perusahaan yang berada pada posisi untuk memungkinkan transisi industri ke produksi semikonduktor 2D melalui peralatan fabrikasi dan kimia proses.

Kinerja pasar dari kapitalisasi pasar $137 miliar Applied Materials juga mengungkap tren naik yang kuat. 

Applied Materials (AMAT )

Saat ini, saham Applied Materials diperdagangkan pada $170,50, naik 4,9% YTD dan turun hanya 33,6% dari ATH yang dicapai musim panas lalu. EPS (TTM)-nya adalah 8,21, dan P/E (TTM) adalah 20,78, sementara dividen yang ditawarkan adalah 1,08%.

Mengenai keuangan perusahaan, Applied Materials melaporkan pendapatan $7,10 miliar, meningkat 7% YoY, untuk kuartal kedua yang berakhir 27 Apr. 2025.

“Kinerja kuat” ini disampaikan “meskipun lingkungan ekonomi dan perdagangan yang dinamis,” kata Brice Hill, Senior Vice President dan CFO. Perusahaan juga melaporkan tidak ada perubahan signifikan dalam permintaan pelanggan.

Margin kotor GAAP-nya adalah 49,1% dan margin kotor non‑GAAP 49,2%, sementara EPS GAAP melonjak 28% menjadi $2,63 dan EPS non‑GAAP naik 14% menjadi $2,39. Selama periode ini, perusahaan menghasilkan $1,57 miliar kas dari operasi dan mendistribusikan $2 miliar kepada pemegang saham melalui dividen $325 juta dan pembelian kembali saham $1,67 miliar.

“Kemampuan luas Applied Materials dan portofolio produk terhubung mendorong hasil kuat pada 2025 di tengah lingkungan makro yang sangat dinamis.”

– CEO Gary Dickerson

Dia menunjukkan bahwa komputasi AI berperforma tinggi dan efisien energi terus menjadi pendorong utama inovasi semikonduktor.

Berita dan Perkembangan Saham Applied Materials (AMAT) Terbaru

Kesimpulan

Dengan membangun komputer CMOD pertama di dunia yang berfungsi sepenuhnya dari material 2D setebal atom, para peneliti tidak hanya menantang dominasi silikon yang telah lama menguasai elektronik, tetapi juga menawarkan solusi untuk masalah yang ada dalam membuat perangkat elektronik lebih kecil, lebih cepat, dan lebih baik.

Lebih dari 2.000 transistor yang diproduksi oleh tim dapat mengeksekusi operasi logika pada komputer, yang menghilangkan kebutuhan akan silikon tradisional.

Meskipun masih dalam tahap awal, terobosan ini menunjukkan masa depan yang menarik di mana elektronik berperforma tinggi, lebih efisien energi, dan lebih ramping, yang didukung oleh material setebal satu atom, menjadi realitas baru.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa semikonduktor berlapis mungkin menjadi lompatan berikutnya dalam penyimpanan memori.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Komputer Satu Set Instruksi Berbasis Material Dua Dimensi Komplementer. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. Mikroprosesor 32-Bit RISC-V Berbasis Semikonduktor Dua Dimensi. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Sambungan P-N yang Dapat Diprogram dalam Transistor Semikonduktor Dua Dimensi. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene: Hibridisasi kaca silika 2D dan graphene. Adv. Mater. 2025, Diterbitkan Online 28 Mei 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Keadaan Kuantum Baru dari Komposit Eksiton‑Floquet: Entanglement Elektron‑Hole dan Informasi. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100