Meningkatkan Semikonduktor – Mungkinkah ‘Donut’ Beam hingga ‘Lego’ Block Akan Mengguncang Pendekatan Industri?

Komponen penting perangkat elektronik, semikonduktor telah merajut dirinya ke dalam struktur kehidupan sehari-hari kita. Elemen kecil namun kuat ini adalah fondasi teknologi modern, mendorong inovasi dalam komputasi, komunikasi, energi bersih, perawatan kesehatan, transportasi, sistem militer, dan berbagai aplikasi penting lainnya. 

Sebagai bukti mencolok dari pengaruh mereka yang meluas, ukuran pasar semikonduktor global diperkirakan akan tumbuh menjadi $1,38 triliun pada 2029, naik dari $573,44 miliar pada 2022.

Meninjau Kemajuan Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang menghantarkan listrik lebih banyak daripada isolator tetapi kurang daripada konduktor murni. Bahan-bahan ini, yang dapat berupa unsur murni atau senyawa, mengalami transformasi signifikan dalam konduktivitas ketika sejumlah kecil impuritas ditambahkan.

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.

Juga disebut sebagai sirkuit terpadu (IC) atau mikrochip, semikonduktor telah merevolusi cara kita hidup, memengaruhi cara kita bekerja, berkomunikasi, bepergian, mengobati penyakit, menghibur, dan memanfaatkan energi.

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

Beberapa inovasi paling menarik dalam industri semikonduktor meliputi komputasi kuantum, yang membutuhkan jenis semikonduktor baru yang beroperasi pada suhu rendah; komputasi neuromorfik, yang bertujuan mengembangkan chip komputer yang meniru struktur dan fungsi otak manusia untuk mesin cerdas; fotonik silikon, yang memanfaatkan cahaya untuk mentransfer data antar chip komputer; dan pengemasan lanjutan, yang penting untuk mengembangkan perangkat elektronik berperforma tinggi.

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

Dalam industri semikonduktor, fokusnya adalah menciptakan produk yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih murah, sebuah tujuan yang langsung terkait dengan prinsip bahwa semakin kecil ukuran, semakin banyak daya yang dapat ditempatkan pada chip yang sama. Kepadatan ini penting karena semakin banyak transistor pada sebuah chip, semakin cepat chip tersebut bekerja.

Inilah tempat Hukum Moore masuk, yang menyatakan bahwa “jumlah transistor dalam sirkuit terpadu padat berlipat ganda kira-kira setiap dua tahun.” Ini menyoroti tekanan pada pembuat chip untuk terus berinovasi dan menyediakan semikonduktor yang lebih efisien dan lebih murah sambil memastikan kontrol kualitas dan ketersediaan produk yang cepat untuk dijual.

Sebagian besar permintaan industri semikonduktor berasal dari smartphone dan peralatan industri, tetapi munculnya AI, IoT, dan kendaraan otonom telah mengubah prospek industri.

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.

Manufaktur chip semikonduktor melibatkan pemurnian wafer, pembangunan beberapa lapisan untuk menciptakan sirkuit terpadu, dan kemudian perakitan serta pengemasan beberapa komponen menjadi produk akhir.

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.

Meskipun semua tantangan ini, industri tetap berkembang. Terobosan yang berpotensi mengubah masa depan terus terjadi, menampilkan ketahanan dan semangat inovatif sektor ini.

Klik di sini untuk daftar saham peralatan semikonduktor terbaik untuk dukungan manufaktur.

‘Doughnut’ Beams Allow Viewing Incredibly Small Objects

Bulan ini, sebuah studi baru mengambil gambar detail objek-objek kecil menggunakan berkas cahaya berbentuk donat, yang tidak mungkin dilakukan dengan mikroskop tradisional. Studi ini dilakukan oleh peneliti CU Boulder dan diharapkan membantu ilmuwan meningkatkan detail dasar dari berbagai “nanoelektronik”, termasuk semikonduktor mini yang terdapat pada chip komputer.

Ini adalah kemajuan terbaru dalam bidang ptychography, sebuah teknik pencitraan komputasional untuk pencitraan mikroskopik. Alat ptychography, tidak seperti mikroskop tradisional, tidak melihat benda sangat kecil secara langsung; melainkan mereka memancarkan laser ke target dan kemudian mengukur bagaimana cahaya tersebar.

Menurut penulis senior studi tersebut, Margaret Murnane, hingga baru-baru ini, pendekatan ini, meskipun bekerja dengan baik, “sepenuhnya gagal untuk sampel yang sangat periodik, atau objek dengan pola berulang secara teratur” karena melibatkan nanoelektronik.

Murnane, seorang fellow di JILA – sebuah institut riset bersama CU Boulder dan NIST – menjelaskan tantangan yang dihadapi ilmuwan dalam menggunakan ptychography untuk melihat struktur beberapa semikonduktor. Struktur ini, terbuat dari atom seperti silikon yang tersusun dalam kisi kecil yang sangat seragam, menimbulkan kesulitan karena kurangnya variasi.

Jadi, dalam studi baru ini, peneliti menciptakan berkas cahaya ultraviolet ekstrem alih-alih menggunakan laser biasa dalam mikroskop mereka untuk membuat bayangan boneka. Kemudian, dengan menggunakan pelat fase spiral, mereka memutar bentuknya menjadi donat, dan ketika berkas-berkas ini memantul dari struktur berulang, bayangan yang dihasilkan jauh lebih kompleks dibandingkan dengan laser tradisional. Hal ini memungkinkan pengumpulan gambar yang akurat dari struktur yang sangat kecil dan rapuh.

Struktur-struktur ini berukuran sekitar 10 hingga 100 nanometer, dan di masa depan tim berharap dapat memperbesar lagi untuk melihat struktur yang lebih kecil. Idenya adalah membuat strategi donat ini lebih akurat, yang akan memungkinkan tim melihat objek yang lebih rapuh, bahkan mungkin sel biologis, suatu hari nanti.

Sebelumnya, alat pencitraan yang menggunakan lensa hanya dapat melihat hingga resolusi sekitar 200 nanometer, tidak memungkinkan ilmuwan menangkap banyak virus dengan akurat. Namun kini, dengan penelitian ini, batas fundamental mikroskop telah didorong, dan ilmuwan akan dapat menangkap patogen ini dalam aksi secara real-time di masa depan. “Alih-alih menggunakan lensa untuk mengambil gambar, kami menggunakan algoritma,” katanya.

Selain itu, berkas-berkas tersebut tidak merusak elektronik kecil dalam prosesnya dan, oleh karena itu, dapat digunakan “untuk memeriksa polimer yang digunakan untuk membuat dan mencetak semikonduktor dari cacat, tanpa merusak struktur tersebut dalam prosesnya,” kata Murnane.

Secara keseluruhan, studi baru ini memiliki potensi besar untuk memengaruhi industri semikonduktor dengan meningkatkan inspeksi komponen nanoelektronik dengan kontrol kualitas yang lebih tepat. Hal ini juga dapat memungkinkan peneliti memeriksa struktur semikonduktor yang rapuh tanpa mengorbankan integritasnya. Seiring lebih banyak kemajuan dalam teknik ptychography, kita dapat melihat metode pencitraan yang lebih serbaguna untuk riset dan pengembangan semikonduktor.

Photonic Chips That Will “Reshape” the Semiconductor Landscape

Dalam studi baru lainnya, peneliti di fasilitas nanoscience University of Sydney Nano Institute, bekerja sama dengan ilmuwan di Australian National University, merancang arsitektur semikonduktor baru di mana mereka mengintegrasikan elektronik dengan foton untuk memperluas lebar pita dan kontrol filter. Ini berarti lebih banyak informasi dapat mengalir melalui chip sambil memungkinkan kontrol filter lanjutan.

“Pekerjaan ini membuka jalan bagi generasi baru filter fotonik RF kompak beresolusi tinggi dengan kemampuan penyesuaian frekuensi lebar pita, khususnya bermanfaat dalam muatan komunikasi RF udara dan luar angkasa, membuka kemungkinan untuk peningkatan kemampuan komunikasi dan sensor.” 

– kata Dr Moritz Merklein, peneliti senior dan co-author studi ini

Untuk membangun chip ini, peneliti memanfaatkan teknologi yang sedang berkembang dalam fotonik silikon, yang memungkinkan mereka mengintegrasikan sistem beragam pada semikonduktor kurang dari 5 milimeter lebar, yang seperti menyusun blok bangunan Lego. Dengan cara ini, dapat memberikan pendekatan yang dapat diskalakan dan modular untuk desain chip, membuka kemungkinan baru untuk menciptakan perangkat semikonduktor yang kompleks dan sangat efisien.

“Penggunaan gabungan fasilitas foundry semikonduktor luar negeri untuk membuat wafer chip dasar dengan infrastruktur riset dan manufaktur lokal telah menjadi kunci dalam mengembangkan sirkuit fotonik terintegrasi ini.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Associate Director for Photonic Integration in the School of Physics

Chip silikon kompak baru ini secara substansial memperluas lebar pita frekuensi radio (RF) dan dapat mengontrol informasi yang mengalir melalui unit dengan akurat. Anda dapat melihat aplikasinya dalam radar canggih, jaringan nirkabel, satelit, dan peluncuran telekomunikasi 6G serta 7G. Selain itu, ini berarti perangkat dapat beradaptasi dengan berbagai aplikasi, menjadikannya relevan dalam beragam skenario.

Menurut peneliti, kemampuan yang ditingkatkan ini dapat lebih lanjut membantu manufaktur berdaulat yang maju dan penciptaan pabrik bernilai tambah tinggi tanpa bergantung secara eksklusif pada produsen internasional.

Penemuan ini, menurut Pro-Vice-Chancellor Professor Ben Eggleton, merupakan kemajuan signifikan dalam riset fotonik gelombang mikro dan fotonik terintegrasi. Chip ini memiliki kemampuan menawarkan lebar pita 15 gigahertz frekuensi yang dapat disetel dengan resolusi spektral yang mengesankan.

Dia menjelaskan bagaimana “fotonik gelombang mikro memainkan peran penting dalam komunikasi modern dan aplikasi radar, menawarkan fleksibilitas untuk menyaring frekuensi yang berbeda secara tepat, mengurangi interferensi elektromagnetik dan meningkatkan kualitas sinyal.” Lebih jauh lagi, dengan mengintegrasikan fungsionalitas lanjutan ke dalam chip semikonduktor (kaca kalsogenida dengan silikon), Eggleton percaya, hal ini dapat “mengubah lanskap semikonduktor lokal.”

Produsen Semikonduktor Teratas 

Mengingat semua yang terjadi dalam industri semikonduktor, sekarang, mari kita lihat beberapa produsen semikonduktor terkemuka:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Foundry semikonduktor terbesar di dunia ini terlibat dalam pembuatan sirkuit terpadu atas nama klien. Dengan kapitalisasi pasar $523,56 miliar, saham perusahaan diperdagangkan pada $100,75, naik 35,52% tahun ini. Pendapatan TSM (TTM) sebesar $68,86 miliar, EPS (TTM) 5,36, dan P/E (TTM) 18,84 sementara menawarkan dividen sebesar 1,81%.

TSMC saat ini berada pada jalur produksi volume chip N2 (2 nanometer), yang, menurut perusahaan, “akan menjadi teknologi semikonduktor paling maju dalam industri baik dari segi kepadatan maupun efisiensi energi ketika diperkenalkan.” Produsen semikonduktor ini juga sedang mengerjakan ekspansi globalnya, yang dimulai dengan fasilitas baru di Arizona beberapa tahun lalu dan kini juga mencakup Jepang dan Jerman.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Perusahaan semikonduktor global ini memiliki kapitalisasi pasar $217,13 miliar dengan saham diperdagangkan pada $133,52, naik 107,52% tahun ini. Pendapatan AMD (TTM) sebesar $22,11 miliar, dan EPS (TTM) 0,13, namun tidak menawarkan dividen.

Baru-baru ini, Advanced Micro meluncurkan chip AI baru dari jajaran MI300 yang lama ditunggu untuk menantang prosesor AI unggulan Nvidia (NVDA ), yang menguasai sekitar 80% pasar chip AI. Chip baru ini dirancang untuk superkomputer dan aplikasi AI generatif seperti ChatGPT dan Dall‑E. Perusahaan juga meningkatkan perkiraan pasar yang dapat dijangkau untuk chip AI menjadi $400 miliar dalam empat tahun ke depan.

3. Applied Materials, Inc. 

Perusahaan ini, pemimpin dalam menyediakan peralatan, layanan, dan perangkat lunak manufaktur untuk industri semikonduktor, memiliki kapitalisasi pasar $129,78 miliar. Mencerminkan statusnya, saham pembuat peralatan semikonduktor terbesar di AS saat ini diperdagangkan pada $156,50, menandakan kenaikan impresif sebesar 59,3% tahun ini. Secara finansial, AMAT melaporkan pendapatan (TTM) $26,51 miliar, EPS (TTM) 8,11, dan P/E (TTM) 19,12, serta menawarkan dividen 0,83%.

Namun, Applied Materials (AMAT ) saat ini menghadapi tantangan karena berada di bawah penyelidikan kriminal AS atas dugaan pengiriman peralatan ke pembuat chip teratas China, SMIC, yang berpotensi mengelak dari pembatasan ekspor. Situasi ini muncul di tengah larangan pemerintah AS tidak hanya pada pengiriman chip canggih tetapi juga pada peralatan ke China. Dalam langkah yang menandakan ambisi global dan ekspansi strategisnya, awal tahun ini, Applied Materials mengumumkan rencana investasi $400 juta selama empat tahun untuk mendirikan pusat rekayasa kolaboratif di India.

4. ASML Holding NV 

ASML yang berbasis di Belanda menyediakan sistem litografi canggih yang digunakan oleh produsen chip seperti TSMC, Samsung, dan Intel (INTC ) untuk menambahkan sirkuit ke wafer silikon. Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar $286,32 miliar sementara sahamnya diperdagangkan pada $714,42, naik 30% YTD dengan pendapatan (TTM) tercatat $28,871 miliar, EPS (TTM) 20,42, dan P/E (TTM) 34,78. Dividen yang ditawarkan sebesar 0,91%.

Perusahaan baru-baru ini melaporkan pendapatan Q3 sedikit di atas $2 miliar, dengan CEO Peter Wennink mengatakan, “Industri semikonduktor saat ini sedang melewati titik terendah siklus, dan pelanggan kami mengharapkan titik infleksi terlihat pada akhir tahun ini.”

Kesimpulan

Semikonduktor adalah komponen kritis dalam perangkat yang merupakan bagian integral dari kehidupan kita. Mereka sebenarnya adalah tulang punggung sektor teknologi yang berkembang pesat. Dan seiring permintaan semikonduktor terus meningkat, hal ini mengarah pada chip yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi. Semua kemajuan dan inovasi ini kemudian akan memungkinkan pengembangan jenis perangkat dan aplikasi baru yang sebelumnya tidak mungkin!