Komputasi
Memanfaatkan Simulasi untuk Mengembalikan Produksi Chip ke Amerika Serikat
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Meskipun mikrochip selalu penting bagi dunia modern, baru pada guncangan rantai pasokan 2022 pemerintah dan industri menyadari pentingnya yang kritis bagi ekonomi global. Kekurangan tersebut begitu parah sehingga industri tidak memiliki pilihan selain menghentikan jalur perakitan besar mereka.
Jadi, mengapa mikrochip begitu penting bagi ekonomi global? Sederhananya, mikrochip adalah tulang punggung industri teknologi modern, integral untuk segala hal mulai dari komputer pribadi, smartphone, peralatan dapur, mobil, perangkat medis, bahkan pada beberapa hewan peliharaan rumah untuk tujuan identifikasi.
Namun meskipun pentingnya kritis, hanya sedikit negara yang benar-benar dapat memproduksi mikrochip fungsional, karena upaya ini menantang batas-batas rekayasa presisi dan inovasi teknologi. Lagipula, produksi mikrochip bukan hanya industri yang membutuhkan modal besar, tetapi juga memerlukan pekerja dengan keahlian sangat khusus, yang mencakup, namun tidak terbatas pada, fisika, ilmu material, dan teknik elektro.
Selain itu, fasilitas tempat mikrochip ini diproduksi, yang dikenal sebagai fab, memerlukan kondisi lingkungan yang ketat untuk proses produksi. Hal ini melibatkan pemeliharaan suhu dan tingkat kelembaban tertentu serta meminimalkan kontaminasi sebanyak mungkin.
Bahkan jika kondisi sempurna tersebut terpenuhi, proses manufaktur melibatkan banyak langkah, dan setiap langkah harus dilaksanakan dengan sempurna. Kesalahan apa pun dapat membuat mikrochip menjadi tidak berguna.
Selain itu, kemajuan teknologi yang terus berlanjut menuntut chip yang lebih kecil dan lebih efisien, menambah tekanan pada fab. Dan pada saat mereka menguasai produksi generasi mikrochip tertentu, chip tersebut mungkin sudah usang karena kurangnya permintaan.
Hambatan besar seperti itu menjadikan produksi mikrochip dalam skala besar tantangan berat bagi kebanyakan negara, bahkan bagi yang memiliki kantong paling dalam.
Bahkan Amerika Serikat, superpower teknologi global dan pemimpin dalam desain semikonduktor, tidak berada di posisi teratas dalam hal produksi mikrochip, karena posisi yang diidamkan tersebut dimiliki Taiwan. Hal ini merupakan hasil investasi Taiwan selama beberapa dekade dalam manufaktur semikonduktor dan keberadaan perusahaan seperti Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).
Kompleksitas ini menunjukkan betapa menantangnya untuk mencapai kemandirian dalam hal mikrochip. Namun, seperti yang dilaporkan dalam artikel yang baru-baru ini dipublikasikan di situs web Princeton Plasma Physics Laboratory milik Departemen Energi Amerika Serikat, para ilmuwannya sedang mengembangkan program komputer yang akan secara signifikan meningkatkan simulasi proses plasma yang digunakan dalam produksi mikrochip.
Algoritma baru ini dapat melampaui teknik simulasi tradisional dalam hal akurasi dan efisiensi, mempercepat proses produksi mikrochip dan, pada gilirannya, membantu mengembalikan produksi chip ke Amerika Serikat.
Pendekatan Ganda
Princeton Plasma Physics Laboratory menjalankan dua penelitian secara bersamaan, dan area fokus mereka berbeda dalam hal tujuan.
- Penelitian pertama berfokus pada meningkatkan akurasi simulasi ini.
- Tujuan penelitian kedua adalah mempercepat kerangka waktu simulasi untuk reaktor plasma yang digunakan dalam produksi mikrochip.
Kebutuhan akan Kecepatan dan Presisi dalam Simulasi Plasma
Pola kompleks yang diukir pada wafer silikon untuk membuat mikrochip sebagian besar diproduksi menggunakan reaktor plasma. Proses ini bergantung pada perilaku plasma, gas bermuatan listrik yang harus dikendalikan dengan hati-hati untuk mencapai hasil yang diinginkan.
Secara tradisional, merangsang proses plasma untuk meramalkan hasil dan meningkatkan metode produksi merupakan tugas yang melelahkan dan memakan waktu. Di sinilah penelitian pertama PPPL masuk. Penelitian ini berupaya mengubah situasi tersebut dengan menciptakan algoritma komputer yang dapat secara signifikan mengurangi waktu yang diperlukan untuk simulasi ini.
Dan mereka berhasil melakukannya, karena tim mereka mengurangi kerangka waktu simulasi dari minggu menjadi berpotensi hari atau bahkan jam tanpa mengorbankan detail penting. Mengenai cara ilmuwan PPPL melakukannya, mereka meninjau kembali sejarah dan menyempurnakan algoritma lama, khususnya yang dibuat pada tahun 1980-an, untuk mencapai hasil yang diinginkan.
Menangani Akurasi Simulasi
Dalam lini penelitian kedua mereka, tim peneliti PPPL menangani masalah akurasi simulasi. Mengingat kompleksitas perilaku plasma, memastikan bahwa simulasi sangat mirip dengan reaksi dunia nyata sangat penting untuk metode produksi mikrochip yang efisien. Namun, kebutuhan akan komputasi yang signifikan untuk mensimulasikan secara akurat perilaku tak terhitung partikel plasma secara historis cukup menantang.
Untuk mengatasi masalah ini, tim penelitian PPPL menyederhanakan representasi partikel plasma dalam simulasi. Alih-alih mencoba memperhitungkan setiap partikel secara individual, mereka mengembangkan metode untuk mengelompokkan mereka menjadi entitas yang lebih besar dan lebih mudah dikelola. Pendekatan ini secara signifikan mengurangi beban komputasi, menghasilkan simulasi yang lebih cepat dan lebih mudah diakses.
Awalnya, penyederhanaan ini berisiko mengdistorsi dinamika sebenarnya dari perilaku plasma, yang berpotensi menghasilkan prediksi yang kurang akurat. Untuk mengatasi hambatan ini, para peneliti menyesuaikan parameter simulasi, membuat gugusan partikel ini lebih besar dan kurang padat. Modifikasi ini memastikan bahwa prediksi simulasi tetap akurat karena interaksi partikel akan lebih mendekati yang terjadi pada plasma sebenarnya.
Keseimbangan hati-hati antara akurasi dan penyederhanaan ini memiliki potensi signifikan untuk meningkatkan proses manufaktur mikrochip.
Katalis untuk Perubahan
Penelitian PPPL memiliki signifikansi di luar domain teknis, karena membawa implikasi bagi dinamika strategis pasar semikonduktor global, terutama bagi Amerika Serikat. Pada akhirnya, penemuan ini memiliki potensi untuk mendefinisikan ulang lanskap produksi mikrochip di seluruh AS dengan menyediakan alat yang dapat mengurangi waktu dan biaya yang terlibat dalam produksi mikrochip. Kemampuan untuk cepat beradaptasi dan meningkatkan proses produksi sangat penting dalam industri di mana kepemimpinan pasar sering bergantung pada kecepatan inovasi.
Selain itu, ketersediaan alat simulasi canggih dapat meratakan lapangan permainan dengan memungkinkan startup dan bisnis kecil berbasis AS bersaing lebih efektif melawan raksasa global yang sudah mapan. Hal ini dapat memicu gelombang inovasi dalam sektor semikonduktor Amerika saat lebih banyak perusahaan masuk ke pasar dan memberikan ide serta metodologi baru untuk merancang dan memproduksi mikrochip.
Memperkuat Keamanan Nasional dan Ketahanan Ekonomi
Gejolak global saat ini dan ketegangan geopolitik telah membuat rantai pasokan menjadi rentan. Ketergantungan pada negara lain untuk komponen penting seperti mikrochip menimbulkan risiko nasional. AS menyadari besarnya risiko ini selama guncangan pasokan semikonduktor 2022, menyimpulkan bahwa gangguan apa pun dalam pasokan mikrochip dapat secara serius memengaruhi dominasi global industri teknologi AS.
Studi PPPL sejalan dengan inisiatif pemerintah yang lebih luas, seperti CHIPS Act, yang bertujuan mengembalikan dominasi Amerika dalam industri semikonduktor. Ditetapkan pada 9 Agustus 2022, sebagai CHIPS and Science Act, undang-undang ini mengalokasikan hampir $280 miliar dana untuk memperkuat manufaktur semikonduktor domestik dan mengurangi ketergantungan pada sumber asing. Dana tersebut mendukung penelitian dan pengembangan, insentif manufaktur domestik, serta langkah-langkah penguatan rantai pasokan.
Peralihan menuju pengamanan dan revitalisasi kemampuan semikonduktor kita bukan hanya tentang mempertahankan ketahanan ekonomi dan keamanan nasional; ini juga langkah penting dalam membuka jalan bagi revolusi berikutnya dalam manufaktur dan teknologi—Industri 4.0.
Membangun Pilar Kunci untuk Industri 4.0
IBM melihat Industri 4.0 sebagai sesuatu di mana manufaktur cerdas akan memainkan peran penting. Dengan kata lain, Industri 4.0 bertujuan mentransformasi secara digital bidang manufaktur, di mana keputusan akan diberikan secara real-time, meningkatkan produktivitas untuk mencapai tujuan akhir menjadikan proses produksi dan distribusi secara optimal fleksibel dan gesit.
Agar Amerika Serikat menjadi pemimpin dalam Industri 4.0, mikrochip akan menjadi lebih dari sekadar kebutuhan. Studi Goldman Sachs (GS ) telah menunjukkan bahwa kekurangan mikrochip dapat memengaruhi hingga 169 industri, termasuk med-tech, mesin pertanian, elektronik konsumen, energi, dan perusahaan. Pada tahun 2021, misalnya, perusahaan mobil yang dihormati secara global, Renault, tidak dapat memproduksi sebanyak 500.000 mobil karena kekurangan mikrochip.
Kerentanan ini menekankan sifat kritis dari masalah tersebut, karena peningkatan ketergantungan pada Taiwan, seperti yang disebutkan sebelumnya, dapat berarti gangguan mendadak dalam rantai pasokan, seperti yang terjadi selama pandemi COVID-19, yang akan mengakibatkan keruntuhan total sistem.
Masa Depan Amerika Serikat dalam Produksi Mikrochip
Amerika Serikat telah menyadari betapa pentingnya mikrochip bagi mereka untuk masa depan ekonomi yang tangguh dan mandiri. Kesadaran ini telah mendorong negara tersebut untuk mendukung sistem di mana hasilnya adalah mikrochip kelas teratas.
Universitas George Washington dan empat mitra penelitian akademik lainnya, misalnya, telah berkolaborasi dengan National Institute for Standards and Technology dari Departemen Perdagangan AS, Google, dan produsen semikonduktor SkyWater Technology (SKYT ) untuk mengembangkan ‘pasokan domestik, terjangkau mikrochip semacam itu‘ bagi peneliti dan startup.
Kolaborasi ini bertujuan menghasilkan wafer silikon yang akan menampung ratusan mikrochip untuk distribusi di antara komunitas. Para peneliti akan memiliki akses ke platform chip pra-planarisasi, yang ‘cocok untuk integrasi dan untuk mengukur kinerja perangkat baru mereka dibandingkan dengan perangkat lain dari komunitas.’
Menurut Gina Adam, asisten profesor di Departemen Teknik Elektro dan Komputer di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan GW, kemitraan ini akan menyediakan:
“Infrastruktur penelitian yang diperlukan untuk membuat kemajuan di bidang nanoteknologi dan perangkat semikonduktor, khususnya saat Amerika Serikat mengalihkan fokus strategisnya ke reshoring produksi mikrochip.”
Untuk meningkatkan produksi mikrochip domestik, pemerintah Amerika Serikat mengumumkan rencananya untuk berinvestasi hampir US$162 juta pada Microchip Technology (MCHP ) yang berkantor pusat di Arizona. Kolaborasi antara perusahaan, pemerintah AS, dan perusahaan tersebut akan berbentuk perjanjian memorandum persyaratan awal (PMT) yang tidak mengikat.
Pemerintah AS akan menyediakan jutaan dolar dalam ‘insentif federal,’ yang akan dialokasikan ke dua aliran: US$90 juta akan digunakan untuk memodernisasi dan memperluas fasilitas fabrikasi perusahaan di Colorado Springs, dan sisanya US$72 juta akan dialokasikan untuk memperluas fasilitas perusahaan di Gresham, Oregon.
Pendanaan serupa sebesar US$35 juta sebelumnya ditawarkan kepada BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, unit bisnis BAE Systems, Inc. Tujuannya adalah mendukung modernisasi Pusat Mikroeletronik perusahaan.
Secara singkat, Amerika Serikat telah menjadi sangat aktif, baik pada tingkat kebijakan maupun pelaksanaan, untuk mendorong produksi mikrochip di negara tersebut. Dan memiliki semua alasan untuk menjadi aktif dengan semangat dan intensitas yang besar. Tidak hanya penting untuk menjaga jalur pasokan komputer, smartphone, dan mobil tetap tidak terganggu. Seperti yang telah kita lihat, keberadaan mikrochip dapat memperkuat mekanisme keamanan nasional dan struktur keamanan siber.
Pendekatan 360 derajat otoritas AS mempertimbangkan kebutuhan untuk memberikan insentif pada manufaktur, mendorong penelitian dan pengembangan, membina tenaga kerja terlatih, serta memperkuat aktivitas yang terkait dengan keamanan teknologi informasi dan komunikasi internasional serta rantai pasokan semikonduktor.
Miliaran dolar yang siap diinvestasikan otoritas AS untuk menjadikan produksi mikrochip sebuah perusahaan domestik yang berkembang telah berhasil menarik pemain global juga.
Sebagai contoh, pemain terbesar dan paling signifikan di peta, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), telah berkomitmen lebih dari US$12 miliar untuk membangun pabrik fabrikasi semikonduktor di Arizona. Intel (INTC ) berencana membangun pabrik manufaktur semikonduktor senilai US$20 miliar di Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) memiliki rencana yang lebih ambisius, yaitu berinvestasi hingga US$100 miliar selama dua dekade ke depan untuk membangun pabrik semikonduktor besar di New York bagian utara.
Dengan semua inisiatif dan rencana aksi ini, tidak ada alasan mengapa Amerika Serikat harus tertinggal dalam perlombaan produksi mikrochip. Namun, untuk bersaing dengan negara-negara Asia Timur yang menguasai hampir tiga perempat produksi chip modern global, Amerika Serikat harus membangun jalur bakat dan rantai pasokan yang kuat. Selain itu, harus menyadari permintaan agar tetap terlindungi dari risiko kelebihan kapasitas dan pasokan berlebih. Fokus juga harus tetap pada memprioritaskan produksi jenis chip yang tepat.
Menurut Scott Kenedy, penasihat senior di Center for Strategic and International Studies:
“AS perlu memperluas produksi chip untuk jenis chip tertentu yang secara langsung terkait dengan keamanan nasional Amerika.”
Apakah AS berhasil meningkatkan produksi mikrochip dan melakukannya dengan cara yang optimal adalah hal yang harus kami pantau.
