Teknologi semikonduktor: berkas donat dan cip fotonik modular

Semikonduktor merupakan bahan penting bagi perangkat elektronik dan mendukung kemajuan dalam komputasi, komunikasi, energi, kesehatan, transportasi, sistem pertahanan, dan berbagai bidang lain. 

Artikel asli tahun 2023 mengutip proyeksi pasar semikonduktor global sebesar $1,38 triliun pada 2029, dibandingkan estimasi US$573,44 miliar pada 2022. Angka tersebut berasal dari perkiraan pasar saat itu, bukan pendapatan masa depan yang pasti atau proyeksi terbaru.

Meninjau Kemajuan Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang sifat penghantaran listriknya dapat diatur, misalnya melalui tegangan, cahaya, atau suhu. Penambahan atom tertentu dalam jumlah kecil secara terkendali disebut doping dan mengubah sifat listriknya. Silikon adalah contoh unsur semikonduktor; ada pula bahan semikonduktor senyawa.

Karena semikonduktor, kita memiliki akses ke radio, TV, smartphone, komputer, video game, dan peralatan diagnostik medis canggih. Kemajuan teknologi semikonduktor selama beberapa dekade terakhir telah memungkinkan perangkat elektronik ini menjadi lebih kecil, lebih cepat, lebih murah, dan lebih andal.

Bahan semikonduktor digunakan antara lain untuk membuat transistor dan sirkuit terpadu. Jadi, semikonduktor tidak sama artinya dengan mikrocip: bahan, komponen, dan rangkaian lengkap merupakan hal berbeda. Teknologi ini memengaruhi komunikasi, transportasi, pengobatan, hiburan, dan pemanfaatan energi.

Sebagai blok bangunan dasar teknologi modern, semikonduktor terus mendorong terobosan terbesar di dunia, dengan potensi yang sangat besar.

Arah penelitian mencakup struktur semikonduktor untuk jenis komputer kuantum tertentu, cip neuromorfik yang meniru aspek jaringan saraf, fotonik silikon untuk hubungan berbasis cahaya, dan pengemasan cip canggih. Tidak semua komputer kuantum menggunakan semikonduktor atau memerlukan kondisi suhu yang sama.

Solusi semikonduktor lanjutan ini berpotensi memainkan peran kunci dalam Kecerdasan Buatan (AI), yang semakin penting di berbagai industri. Semikonduktor dapat membantu aplikasi AI melakukan tugas kompleks lebih efisien. Semikonduktor juga memiliki potensi besar dalam kendaraan otonom, sistem pemrosesan gambar cerdas, dan sistem energi terbarukan.

Manufaktur Semikonduktor

Produsen berusaha menghasilkan produk yang lebih kecil, cepat, atau hemat energi dengan biaya terjangkau. Transistor yang lebih kecil dapat memungkinkan lebih banyak fungsi pada luas cip yang sama. Namun, lebih banyak transistor tidak otomatis membuat cip lebih cepat; arsitektur, memori, pendinginan, dan perangkat lunak juga menentukan.

Hukum Moore menggambarkan tren historis peningkatan jumlah transistor pada sirkuit terpadu maju menjadi sekitar dua kali lipat setiap dua tahun. Ini merupakan pengamatan empiris, bukan hukum alam atau jaminan untuk setiap generasi cip. Pengecilan lebih lanjut membutuhkan proses manufaktur yang semakin kompleks.

Permintaan datang antara lain dari komputer, perangkat komunikasi, ponsel, industri, dan kendaraan. AI, Internet of Things (IoT), serta sistem bantuan mengemudi mengubah komposisi kebutuhan. Permintaan bersifat siklis dan tidak selalu meningkat di setiap segmen.

Sekarang, permintaan yang meningkat membuat perusahaan semikonduktor harus lebih fokus pada penelitian dan pengembangan, meningkatkan fungsionalitas, dan memiliki waktu produksi yang lebih efisien. Persyaratan ini secara konsekuensial menimbulkan tantangan signifikan bagi industri, dengan tantangan terbesar adalah bagaimana menyediakan chip yang lebih kecil dan lebih kuat dengan biaya terjangkau.

Selain itu, inovasi telah meningkatkan kompleksitas proses manufaktur dalam industri semikonduktor. Peningkatan kompleksitas ini secara alami menuntut rantai pasokan yang lebih efisien, sebuah kebutuhan yang semakin diperkuat oleh permintaan yang terus meningkat dari perusahaan AI. Hal ini memerlukan tidak hanya beragam kemampuan kinerja tetapi juga waktu pengiriman yang lebih singkat.

Pembuatan cip dimulai dengan bahan sangat murni dan wafer. Deposisi lapisan, litografi, etsa, dan doping dilakukan berulang kali untuk membentuk rangkaian. Setelah itu dilakukan pengujian, pemotongan wafer, pengemasan, dan penyambungan cip.

Jadi, produsen semikonduktor harus menghadapi tantangan penanganan material, daur ulang, dan perbaikan proses, yang merupakan aspek kritis dari operasi mereka. Namun ruang lingkup tantangan mereka tidak terbatas pada hal itu; faktor-faktor seperti geopolitik juga secara signifikan memengaruhi ketersediaan sumber daya dan perdagangan, seperti yang telah dicontohkan dalam kasus AS dan China.

Untuk waktu yang cukup lama, masalah rantai pasokan sebenarnya menjadi salah satu isu utama dalam industri. Situasi ini semakin rumit oleh faktor-faktor seperti ketegangan geopolitik dan sengketa perdagangan, dengan peristiwa black swan seperti pandemi memperburuk masalah ketersediaan chip.

Selain tantangan-tantangan ini, industri juga harus menghadapi kesenjangan yang semakin lebar antara permintaan akan tenaga profesional terampil dan ketersediaan orang yang memenuhi syarat. Mengingat kompetisi yang intens dan laju kemajuan yang cepat di sektor ini, tidak mengherankan adanya kekurangan bakat dan kesenjangan keterampilan.

Penelitian baru terus muncul di tengah tantangan tersebut. Dampaknya terhadap industri bergantung pada keandalan, kemampuan produksi berskala besar, dan biaya.

Lihat daftar saham pemasok peralatan untuk manufaktur semikonduktor.

Berkas berbentuk donat untuk mencitrakan struktur nano

Pada Desember 2023, CU Boulder menjelaskan penelitian pencitraan struktur kecil menggunakan berkas cahaya berbentuk donat. Teknik ini berpotensi membantu pemeriksaan nanoelektronik. Hasilnya merupakan peningkatan khusus pada ptikografi, bukan pengganti semua jenis mikroskop.

Dalam ptikografi, sampel disinari pada posisi yang saling bertumpang tindih. Detektor mengukur pola hamburan, lalu algoritme merekonstruksi citra. Proses ini bukan sekadar memotret bayangan atau melihat objek secara langsung melalui lensa.

Menurut peneliti senior Margaret Murnane, sampel yang sangat periodik sulit dicitrakan dengan pendekatan sebelumnya karena pola hamburannya kurang bervariasi untuk rekonstruksi yang andal.

Murnane bekerja di JILA, lembaga bersama CU Boulder dan NIST. Susunan berulang pada struktur nano tertentu dapat menghasilkan pola hamburan yang sulit dibedakan oleh algoritme.

Tim menghasilkan cahaya ultraviolet ekstrem dan memakai pelat fase spiral untuk membentuk pusaran optik. Berkas tersebut membentuk profil seperti cincin saat menyinari permukaan datar. Pola hamburan yang dihasilkan lebih berguna untuk merekonstruksi struktur periodik.

Penjelasan universitas menyebut struktur berukuran sekitar 10–100 nanometer. Objek yang lebih kecil dan rapuh, termasuk suatu hari sel hidup, merupakan sasaran penelitian berikutnya. Kemampuan itu belum semuanya dibuktikan dalam percobaan ini.

Batas sekitar 200 nanometer yang disebutkan berkaitan dengan mikroskop cahaya tampak konvensional dalam kondisi umum, bukan semua teknik yang memakai lensa. Studi ini belum menghasilkan rekaman patogen hidup secara waktu nyata. Tujuan tersebut masih membutuhkan penelitian lanjutan.

Dalam kondisi yang diuji, teknik ini dapat mengamati struktur rapuh yang berisiko rusak oleh metode tertentu lainnya. Pemeriksaan polimer untuk manufaktur semikonduktor disebut sebagai kemungkinan penggunaan mendatang. Tidak merusak bukan jaminan untuk setiap bahan, dosis cahaya, dan kondisi pengukuran.

Teknik ini dapat melengkapi metode inspeksi yang ada. Penerapan dalam pengendalian mutu industri masih memerlukan penilaian terhadap resolusi, kecepatan, jenis sampel, dan integrasi produksi.

Cip fotonik dengan integrasi modular

Dalam studi baru lainnya, peneliti University of Sydney dan Australian National University menggabungkan fungsi elektronik dan fotonik untuk menyaring sinyal frekuensi radio dalam rangkaian terpadu yang ringkas.

Menurut peneliti, pendekatan ini membuka kemungkinan filter fotonik RF ringkas dengan pengaturan frekuensi yang luas dan resolusi tinggi, antara lain untuk perangkat komunikasi di pesawat dan satelit. 

Pernyataan tersebut disampaikan oleh Moritz Merklein, peneliti senior dan salah satu penulis studi.

Berbagai bahan dan komponen diintegrasikan pada cip silikon selebar kurang dari 5 milimeter. Perbandingan dengan Lego menggambarkan integrasi modular dan pengemasan ciplet, bukan balok mainan sungguhan atau metode baru untuk membuat semua transistor.

Pembuatan wafer dasar di fasilitas luar negeri dipadukan dengan infrastruktur penelitian dan manufaktur lokal. Kombinasi ini menjadi bagian penting dari pengembangan rangkaian fotonik terpadu. 

Alvaro Casas Bedoya, penanggung jawab integrasi fotonik di School of Physics, memimpin desain cip.

Kemungkinan penggunaannya mencakup radar, satelit, jaringan nirkabel, dan generasi telekomunikasi mendatang. Penyebutan 6G serta 7G pada 2023 adalah prospek penelitian, bukan bukti jaringan tersebut telah diterapkan dengan cip ini.

Pendekatan ini dapat memperkuat kemampuan desain dan integrasi lokal. Namun, fasilitas manufaktur luar negeri tidak menjadi tidak diperlukan: wafer dari luar negeri justru merupakan bagian dari metode yang digunakan.

University of Sydney melaporkan rentang frekuensi yang dapat disetel sebesar 15 GHz dan resolusi spektral hingga 37 MHz. Angka itu menjelaskan fungsi filter RF, bukan kecepatan prosesor atau laju transfer data.

Integrasi heterogen kaca kalkogenida dengan silikon dapat membantu pemilihan frekuensi dan pengurangan interferensi. Ben Eggleton menempatkan hasil ini dalam penelitian fotonik gelombang mikro dan pengembangan industri semikonduktor lokal.

Perancang cip, produsen, dan pemasok peralatan 

Perusahaan berikut memiliki peran berbeda: TSMC memproduksi cip untuk pelanggan, AMD merancang cip dengan manufaktur yang dialihdayakan, sedangkan Applied Materials dan ASML memasok peralatan. Angka saham dan TTM berikut dipertahankan sebagai data historis artikel 2023, bukan valuasi terkini atau hasil verifikasi ulang. TTM berarti dua belas bulan sebelumnya; kenaikan “tahun ini” mengacu pada waktu penulisan pada 2023.

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

TSMC membuat sirkuit terpadu untuk pelanggan. Ringkasan historis artikel mencantumkan kapitalisasi pasar US$523,56 miliar, harga saham US$100,75, dan kenaikan 35,52% sejak awal 2023. Angka lainnya adalah pendapatan TTM US$68,86 miliar, laba per saham 5,36, rasio harga terhadap laba 18,84, dan imbal hasil dividen 1,81%. Ini bukan harga atau rasio saat ini.

Saat artikel diterbitkan pada 2023, N2 masih merupakan rencana pengembangan dan produksi. TSMC kemudian menyatakan produksi volume N2 dimulai pada kuartal IV 2025. “2 nanometer” adalah nama generasi proses, bukan ukuran persis setiap komponennya. Ekspansi ke Arizona, Jepang, dan Jerman yang disebut pada 2023 terdiri atas proyek dengan jadwal berbeda, bukan pabrik yang semuanya sudah beroperasi penuh.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Ringkasan historis AMD mencantumkan kapitalisasi pasar US$217,13 miliar, harga US$133,52, dan kenaikan 107,52% sejak awal 2023. Pendapatan TTM disebut US$22,11 miliar, laba per saham 0,13, dan tidak ada dividen. AMD merancang cip dan mengalihdayakan produksinya. Angka lama ini tidak diverifikasi ulang sebagai data terkini.

AMD meluncurkan akselerator Instinct MI300X dan prosesor MI300A pada 6 Desember 2023 untuk AI dan komputasi berkinerja tinggi, bersaing antara lain dengan produk Nvidia (NVDA ). Pangsa sekitar 80% merupakan estimasi pasar saat itu, bukan angka terbaru yang dipastikan. ChatGPT dan DALL-E adalah contoh AI generatif; penyebutannya tidak membuktikan penggunaan cip AMD tersebut. Proyeksi pasar US$400 miliar untuk 2027 adalah perkiraan pasar yang dapat dijangkau, bukan pendapatan AMD atau hasil yang pasti.

3. Applied Materials, Inc. 

Applied Materials menyediakan peralatan, layanan, dan perangkat lunak manufaktur. Ringkasan historis mencantumkan kapitalisasi pasar US$129,78 miliar, harga US$156,50, dan kenaikan 59,3% sejak awal 2023. Angka lainnya adalah pendapatan TTM US$26,51 miliar, laba per saham 8,11, rasio harga terhadap laba 19,12, dan imbal hasil dividen 0,83%. Ini merupakan data lama, bukan valuasi terkini yang diverifikasi ulang.

Applied Materials (AMAT ) dikaitkan pada 2023 dengan penyelidikan atas pengiriman tertentu ke China. Pada 11 Februari 2026, perusahaan mengumumkan penyelesaian dengan BIS senilai US$252,5 juta terkait aturan ekspor. Perusahaan juga menyatakan DOJ dan SEC menutup penyelidikan terkait tanpa tindakan lebih lanjut. Dengan demikian, penyelidikan pidana lama itu tidak tepat digambarkan sebagai masih berjalan. Aturan ekspor juga bukan larangan menyeluruh atas semua cip dan peralatan ke China. Pusat rekayasa Bangalore yang diumumkan pada Juni 2023 merupakan rencana investasi US$400 juta selama empat tahun, bukan seluruhnya pengeluaran yang sudah dilakukan saat itu.

4. ASML Holding NV 

ASML menyediakan sistem litografi bagi produsen cip seperti TSMC, Samsung, dan Intel (INTC ). Ringkasan lama mencantumkan kapitalisasi pasar US$286,32 miliar, harga US$714,42, dan kenaikan 30% sejak awal 2023. Pendapatan TTM disebut 28,871 miliar, laba per saham 20,42, rasio harga terhadap laba 34,78, dan imbal hasil dividen 0,91%. Mata uang, bentuk saham, dan tanggal pengukuran harus diperiksa bersama; angka tersebut bukan rasio terkini yang baru diverifikasi.

Untuk kuartal III 2023, ASML melaporkan laba bersih €1,893 miliar dan pendapatan €6,673 miliar. Laba tidak sama dengan pendapatan. Peter Wennink, yang saat itu menjabat direktur utama, membahas harapan pemulihan siklus menjelang akhir 2023. Pernyataan itu merupakan pandangan historis, bukan proyeksi terbaru.

Kesimpulan

Bahan semikonduktor dan komponen yang dibuat darinya mendukung banyak perangkat. Pencitraan baru dan integrasi fotonik dapat membantu pengembangan cip. Namun, setiap percobaan tidak otomatis menghasilkan produk lebih kecil, cepat, atau hemat energi: reproduktibilitas, biaya manufaktur, desain, dan kinerja nyata tetap menentukan.