Nanoteknologi Mendorong Batas Komputasi dengan Kecepatan dan Efisiensi

Teknologi komputasi canggih sedang membuat kemajuan besar dalam mencapai kecepatan tinggi dan konsumsi daya rendah.

Kemajuan kunci di bidang ini mencakup arsitektur silikon baru yang menggunakan desain berlapis untuk membangun chip yang lebih cepat dan lebih kecil dengan biaya lebih rendah. Sementara itu, komputasi fotonik memanfaatkan gelombang cahaya untuk memproses dan menyimpan data. Dengan kecepatan cahaya yang tidak dapat ditandingi, ini dapat menawarkan kecepatan tinggi dan latensi rendah.

Selanjutnya ada komputasi biologis, di mana informasi dikodekan dan disimpan dalam sel biologis, didorong oleh kemajuan dalam nanobioteknologi. Komputasi kuantum juga menawarkan potensi signifikan, menyelesaikan masalah kompleks lebih cepat daripada komputer saat ini dengan memanfaatkan superposisi kuantum, keterikatan, dan interferensi.

Selain itu, komputasi neuromorfik meniru sistem saraf otak kita untuk melakukan komputasi paralel; komputasi awan memindahkan pemrosesan ke lokasi remote atau virtual; dan komputasi tepi mengalihkan pemrosesan dari fasilitas terpusat lebih dekat ke pengguna akhir.

Semua perkembangan ini dalam teknologi komputasi, yang berfokus pada alat dan sistem untuk memproses, menyimpan, dan mengkomunikasikan data, telah menghasilkan kemajuan luar biasa di bidang-bidang termasuk kecerdasan buatan (AI) dan analitik data.

Penelitian berkelanjutan di bidang ini telah menghasilkan inovasi yang terus-menerus dan cepat dalam teknik komputasi, dengan para ilmuwan kini menggali lebih dalam untuk mencapai hasil yang lebih baik, lebih cepat, dan lebih efisien.

Terobosan dalam Fabrikasi Laser Nanoskala pada Silikon

Researchers from Bilkent University, Turkey, recently achieved a significant terobosan by developing a technique for fabricating nanostructures deep inside silicon wafers. 

Metode baru ini memungkinkan nanofabrikasi dalam silikon melalui modulasi cahaya spasial dan pulsa laser, menciptakan nanostruktur canggih yang akan menguntungkan elektronik dan fotonik.

Penelitian ini berfokus pada silikon, dasar dari elektronik, fotonik, dan fotovoltaik. Sebagai semikonduktor, konduktivitas listrik silikon berada di antara isolator dan konduktor murni. Ini adalah elemen kedua paling melimpah di kerak Bumi, memiliki sifat logam dan non-logam. Selain itu, sifat listrik silikon yang luar biasa, termasuk celah energi yang relatif kecil, menjadikannya bahan penting dalam industri semikonduktor.

Namun, silikon terbatas pada fabrikasi nanoskala permukaan karena kesulitan yang ditimbulkan oleh teknik litografi yang ada. Metode saat ini tidak dapat menembus permukaan wafer tanpa menyebabkan perubahan atau dibatasi oleh resolusi litografi laser. Selain itu, teknik yang ada tidak memungkinkan modulasi presisi tinggi di dalam wafer. 

Jika perangkat dapat langsung difabrikasi di dalam massa logam ini tanpa mengubah permukaan atas atau bawah wafer, itu akan menetapkan standar baru.

Tentu saja, itu berarti mengatasi semua tantangan batas resolusi fabrikasi lebih dari 1 mikron sambil secara bersamaan mencapai kontrol nanoskala multidimensi di dalam wafer. Melakukannya, bagaimanapun, akan menjadi terobosan ajaib, memungkinkan fungsionalitas baru nanofotonik 3D dan menghasilkan metasurface di dalam Si. 

Penelitian terbaru memanfaatkan berkas laser yang dimodulasi secara spasial dan umpan balik anisotropik dari struktur subpermukaan yang telah dibentuk sebelumnya untuk mencapai hal ini. Hal ini memungkinkan tim untuk membangun kemampuan fabrikasi nanokontrol di dalam Si dengan memanipulasi materi pada skala nano. 

Untuk menjelaskan lebih lanjut, tim Bilkent mengatasi tantangan efek optik kompleks dalam wafer dan batas difraksi inheren cahaya laser dengan memanfaatkan pulsa laser unik, yang dibuat dengan memodulasi spasial. Pulsa laser yang dimodulasi secara spasial sesuai dengan fungsi Bessel. 

Efek hamburan optik, yang menghalangi deposisi energi yang tepat, kemudian diatasi oleh sifat non-difraksi berkas laser khusus. Sifat non-difraksi ini diciptakan dengan teknik proyeksi holografik canggih, yang memungkinkan lokalisasi energi secara tepat. Hal ini menghasilkan tekanan dan suhu yang cukup tinggi untuk memodifikasi material dalam volume kecil. 

According to Onur Tokel, Professor at the Department of Physics:

“Pendekatan kami didasarkan pada lokalisasi energi pulsa laser dalam bahan semikonduktor ke volume yang sangat kecil, sehingga dapat memanfaatkan efek peningkatan medan yang muncul serupa dengan yang ada pada plasmonik. Hal ini menghasilkan kontrol sub-panjang gelombang dan multidimensi langsung di dalam material.”

He added:

“Kami kini dapat memfabricasi elemen nanofotonik yang tertanam dalam silikon, seperti nanogaris dengan efisiensi difraksi tinggi bahkan kontrol spektral.”

Hal ini diikuti oleh efek penanaman yang muncul, di mana nano-void yang terbentuk pada subpermukaan menciptakan peningkatan medan yang kuat di sekitarnya. Setelah terbentuk, peningkatan medan yang dihasilkan mempertahankan dirinya, yang berarti bahwa pembuatan struktur nano sebelumnya membantu memfabricasi struktur nano selanjutnya. 

Sementara itu, penggunaan polarisasi laser memberikan peneliti kontrol tambahan atas penyelarasan dan simetri nanostruktur pada skala nano, yang memungkinkan pengembangan akurat berbagai nano-array.

“Dengan memanfaatkan mekanisme umpan balik anisotropik yang ditemukan dalam sistem interaksi laser-material, kami berhasil mencapai litografi nano terkendali polarisasi pada silikon.”

– Penulis utama studi, Dr. Asgari Sabet 

Metode fabrikasi baru ini telah mencapai ukuran fitur sekecil 100 nm, yang merupakan peningkatan besar dibandingkan regime konvensional. 

Studi ini dapat memiliki implikasi signifikan bagi sistem pada skala nano dengan struktur khusus dengan menunjukkan nanostruktur volumetrik area luas dengan kontrol multidimensi dan fitur melampaui batas difraksi. Menurut peneliti, kemajuan masa depan yang potensial dari studi ini dapat mencakup metamaterial, metasurface, aplikasi pemrosesan informasi, dan kristal fotonik.

Penelitian ini juga menunjukkan potensi besar untuk integrasi dengan sistem on-chip, dengan kemampuan nanogaris yang diperkenalkan menjadi langkah menuju tujuan ini. Studi mencatat bahwa ini juga merupakan fotonik Si berlapis multi pertama.

Secara keseluruhan, studi ini telah memperkenalkan “paradigma fabrikasi baru untuk silikon. Kemampuan memfabricasi pada skala nano langsung di dalam silikon membuka regime baru menuju integrasi lebih lanjut dan fotonik canggih,” kata Prof. Tokel. Langkah selanjutnya bagi studi ini adalah menyelidiki apakah fabrikasi nano 3D lengkap dalam Si dapat dicapai. 

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana nanofotonik canggih akan membantu kami membangun smartphone yang lebih baik.

Nanomaterial Membuka Jalan bagi Komputasi Generasi Berikutnya

Seperti yang kami lihat di atas, peneliti menargetkan nanostruktur untuk hasil yang lebih baik. Nanoteknologi adalah tentang mengendalikan materi pada skala nano, dengan ukuran antara 1 hingga 100 nanometer. 

Pada skala sekecil itu, kita dapat mengalami sifat dan perilaku unik material, memungkinkan peneliti dan insinyur memanipulasinya untuk berbagai aplikasi. Akibatnya, nanoteknologi memiliki implikasi luas di banyak industri, termasuk energi, elektronik, kedokteran, dan ilmu material.

Dengan potensi besar untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di dunia, nanoteknologi telah berkembang pesat dengan kemajuan dan terobosan terus-menerus, terutama dalam komputasi dan elektronik. Nanoteknologi sebenarnya telah berkontribusi besar pada kemajuan utama di sektor ini, yang menghasilkan sistem yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih portabel.

Sebagai contoh, nanomaterial seperti graphene dan karbon nanotube telah menunjukkan potensi dalam menciptakan elektronik yang fleksibel dan transparan.

Nanostruktur telah mengubah bidang semikonduktor dan komputasi dengan meningkatkan sifat listrik, optik, dan magnetik material melampaui pasangan massanya.

Dalam konteks ini, kemajuan sedang dibuat dalam komputasi kuantum dan komunikasi menggunakan qubit skala nano. Selain itu, penelitian terus mengembangkan nanomaterial untuk baterai berkapasitas tinggi, pengisian cepat, dan superkapasitor. Sementara itu, kemajuan dalam teknik fabrikasi skala nano memungkinkan pembuatan perangkat dan komponen miniatur dengan kinerja kuat.

Dengan memungkinkan pengembangan perangkat yang lebih kecil dan lebih efisien seperti transistor skala nano dan chip memori, nanoteknologi telah secara luar biasa meningkatkan daya komputasi dan kapasitas penyimpanan, mendorong batas Hukum Moore.

Hukum Moore yang disebutkan di sini dirumuskan oleh co-founder Intel Gordon Moore, yang berpendapat bahwa jumlah transistor pada satu chip akan berlipat ganda kira-kira setiap dua tahun, dengan kenaikan biaya yang minimal.

Jika kita menelusuri itu, pada tahun 1950-an transistor pertama kali mulai menggantikan tabung hampa sebagai komponen kunci dalam rangkaian elektronik. Sementara transistor awal biasanya berukuran satu sentimeter, mereka segera diukur dalam milimeter.

Maju cepat ke awal abad ini, ukuran telah diperkecil menjadi antara 130 hingga 250 nanometer, kemudian lebih kecil lagi menjadi hanya 14 nanometer sekitar satu dekade yang lalu. Pada 2015, IBM mengurangi ukuran ini setengahnya dengan menciptakan transistor tujuh-nanometer pertama. Perjalanan menuju transistor yang lebih kecil namun lebih baik dan lebih cepat ini terus berlanjut hingga hari ini.

Dalam beberapa tahun terakhir, ukuran transistor terkecil dalam produksi telah diperkecil menjadi 3 nm, dengan IBM mengumumkan transistor 2 nm pada Mei 2021, yang lebih kecil dari untaian DNA. Kami fokus pada transistor karena mereka mendasar untuk memberi daya hampir setiap perangkat elektronik.

Menariknya, semakin kecil transistor ini, semakin sedikit daya yang mereka konsumsi dan semakin cepat mereka menjadi. Namun, banyak yang percaya bahwa kita hanya dapat membuat sesuatu lebih kecil untuk waktu tertentu, dan pada akhirnya, kita tidak akan dapat terus memperkecilnya. Saat itulah nanomaterial baru dan teknologi canggih akan dibutuhkan untuk meningkatkan perangkat kita.

Hal ini telah mendorong ilmuwan mengalihkan fokus mereka ke teknologi seperti sistem neuromorfik, yang memerlukan pengembangan neuron dan sinapsis buatan baru yang dapat melampaui kinerja sirkuit CMOS standar (complementary metal-oxide-semiconductor).

Dengan menggunakan neuron dan sinapsis buatan, komputer ini mensimulasikan cara otak manusia memproses informasi. Hal ini memungkinkan mereka mengenali pola, memecahkan masalah, dan membuat keputusan lebih efisien dan cepat daripada komputer saat ini. Meskipun bidang ini masih baru, ia menunjukkan potensi dalam komputasi kognitif, kendaraan otonom, dan AI, di mana kecepatan dan efisiensi penting.

Peneliti juga mengeksplorasi kelas material baru, seperti quantum dot dan graphene, untuk memenuhi kebutuhan komputasi canggih. Studi terbaru telah mengeksplorasi Quantum Dot Cellular Automata (QCA) untuk merancang komputer skala nano dengan peningkatan kecepatan dan efisiensi.

Selain graphene, material 2D seperti transition metal dichalcogenides (2D-TMDs) sedang dipertimbangkan untuk digunakan dalam semikonduktor. Luas permukaan material ini memungkinkan interaksi cahaya yang efisien dan meningkatkan penggunaannya untuk memanipulasi cahaya, sementara mobilitas pembawa muatan yang tidak biasa meningkatkan kinerja perangkat. Ketahanannya membuatnya tahan untuk berbagai aplikasi dunia nyata.

Seperti yang disebutkan di atas, penelitian terbaru yang mencapai nanofabrikasi di dalam silikon juga bertujuan memungkinkan generasi berikutnya chip berbasis silikon dengan daya pemrosesan yang jauh lebih besar.

Klik di sini untuk daftar perusahaan teratas yang bekerja untuk memajukan bidang nanoteknologi.

Perusahaan yang Bekerja pada Teknologi Komputasi Canggih

Jika kita mempertimbangkan perusahaan yang terlibat dalam bidang ini, Applied Materials (AMAT) menyediakan teknologi nanomanufaktur untuk semikonduktor canggih. Advanced Micro Devices (AMD) mengembangkan perangkat keras komputasi berperforma tinggi dan mengeksplorasi teknologi komputasi canggih.

NVIDIA Corporation (NVDA), dikenal dengan GPU-nya, juga sangat berinvestasi dalam penelitian komputasi kuantum. Superkomputer Nvidia sedang digunakan untuk mengembangkan sistem quantum annealing guna menyelesaikan masalah tertentu. NVIDIA, yang sering disebut sebagai ‘kekasih AI,’ telah melihat sahamnya naik 157% tahun-ke-tanggal (YTD).

Perusahaan mencatat penjualan rekor sebesar $26 miliar pada 1Q24, naik 18% dari kuartal sebelumnya dan 262% dari tahun sebelumnya. Korporasi juga mengumumkan pemecahan saham sepuluh menjadi satu pada 7 Juni 2024, dan meningkatkan dividen tunai kuartalannya menjadi $0.01.

Sekarang mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang mempelopori penelitian dalam komputasi canggih, nanoteknologi, dan inovasi dalam desain chip.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM) adalah perusahaan teknologi populer yang terlibat dalam peluang cloud dan AI. Fokusnya adalah pada penelitian komputasi kuantum dan kemajuan teknologi semikonduktor.

Selama setahun terakhir, perusahaan memperkenalkan prosesor kuantum generasi terbarunya, IBM Heron, yang memiliki 133 qubit frekuensi tetap dan peningkatan kinerja perangkat tiga hingga lima kali lipat.

According to Jay Gambetta, VP at IBM Quantum:

“Kekuatan penuh penggunaan komputasi kuantum akan didukung oleh AI generatif untuk menyederhanakan pengalaman pengembang.”

Perusahaan memiliki kapitalisasi pasar sebesar $180,57 miliar, dan sahamnya diperdagangkan pada $195,51, naik 19,86% YTD. Yield dividen adalah 3,41%. Untuk 2Q24, IBM melaporkan pendapatan sebesar $15,8 miliar, meningkat 2% dari tahun sebelumnya.

Arus kas bebas, sementara itu, sebesar $2,6 miliar, yang perusahaan naikkan menjadi $12 miliar untuk pandangan tahunan penuh, dengan $1,5 miliar dikembalikan kepada pemegang saham dalam bentuk dividen selama periode tersebut. Perusahaan mengakhiri kuartal dengan $16 miliar dalam kas, kas terbatas, dan sekuritas yang dapat diperdagangkan. Sementara mencatat keahlian IBM dalam AI perusahaan dan bisnis AI generatifnya yang tumbuh menjadi lebih dari $2 miliar sejak peluncuran Watsonx setahun lalu, CEO IBM Arvind Krishna:

“Kami memiliki kuartal kedua yang kuat, melampaui harapan kami.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) menginovasi desain chip dan mengeksplorasi komputasi neuromorfik serta kuantum. Pembuat chip semikonduktor ini adalah penemu seri mikroprosesor x86, yang ditemukan di sebagian besar komputer pribadi. Perusahaan saat ini sedang bekerja pada memperoleh kembali keunggulannya dalam pembuatan chip global, untuk itu mereka menerima pendanaan melalui hibah dan pinjaman dari pemerintah AS.

Melalui penelitian neuromorfik, Intel bertujuan mempercepat masa depan AI adaptif dengan merancang perangkat keras yang dioptimalkan bersama perangkat lunak AI generasi berikutnya. Selain itu, Intel telah mendirikan Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Upaya kolaboratif global ini menyatukan tim dari institusi penelitian, kelompok akademik, perusahaan, dan laboratorium pemerintah untuk memajukan batas AI yang terinspirasi otak.

Perusahaan memiliki kapitalisasi pasar sebesar $89,56 miliar, dan sahamnya diperdagangkan pada $21,06, turun 58,23% YTD. Untuk 2Q24, Intel melaporkan hasil keuangan yang “mengecewakan”, dengan pendapatan sebesar $12,8 miliar, turun 1% YoY, sementara EPS non-GAAP adalah $0.02. Perusahaan mengumumkan penangguhan dividen mulai kuartal keempat 2024 sambil menegaskan “komitmen jangka panjang terhadap dividen kompetitif seiring arus kas meningkat ke tingkat yang berkelanjutan lebih tinggi.”

Kesimpulan

Komputasi canggih, yang berfokus pada metode dan teknologi baru yang mendorong metode komputasi inovatif, menarik minat signifikan dari perusahaan, peneliti, insinyur, dan pemerintah. Bagaimanapun, itu mendasar bagi keamanan siber, pasar keuangan, dan banyak infrastruktur kritis lainnya. Selain itu, penggunaan AI yang luas didukung oleh daya komputasi canggih, bersama data, algoritma, dan mikrochip.

Selama beberapa dekade terakhir, kemajuan dalam teknologi komputasi secara signifikan meningkatkan kinerja dan fungsionalitas perangkat yang kita gunakan secara rutin, sehingga mendorong pertumbuhan ekonomi digital. Mengingat dampaknya yang mendalam pada masyarakat, penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan sangat penting untuk memenuhi permintaan komputasi yang membutuhkan daya tinggi dan membuka jalan bagi komputasi canggih, memungkinkan penciptaan produk dan layanan yang sebelumnya tidak terbayangkan.

Klik di sini untuk daftar saham nanoteknologi terbaik.