Hukum Moore : “Kiblat” Industri Mikroprosesor

Gordon Moore

”With unit cost falling as the number of components per circuit rises, by 1975 economics may dictate squeezing as many as 65,000 components on a single silicon chip”

Kalimat diatas mengawali paper fenomenal yang ditulis oleh Gordon E. Moore, dikenal sebagai pencipta ’Hukum Moore’ yang menjadi kiblat kompetisi fabrikasi chip silikon di era mikroelektronika modern. Paper yang ditulis pada tahun 1965 tersebut lah yang tidak lain dan tidak bukan menjadi inspirasi bagi pada stakeholder bidang semikonduktor untuk berkompetisi dalam risetnya untuk memperkecil ukuran transistor dalam rangka memenuhi tren yang disitasi pada Hukum Moore. Hukum Moore sendiri didefinisikan bahwa ”kompleksitas sebuah mikroprosesor akan meningkat dua kali lipat tiap 18 bulan sekali”.

Gordon Moore

Walaupun demikian, pada paper nya, Moore tidak menyebutkan sama sekali mengenai istilah ”Hukum Moore”. Istilah ”Hukum Moore” sendiri dipopulerkan oleh seorang profesor dari Caltech yang bernama Carver Mead. Paper yang ditulis oleh Gordon E. Moore sendiri tidak didasari oleh dasar saintifik atau engineering, melainkan hanya refleksi dan proyeksi seperti apa masa depan daripada teknologi semikonduktor.

Dari 12 bulan, 24 bulan, hingga 18 bulan

Pada paper nya, Moore memberikan proyeksi nya mengenai jumlah komponen dalam suatu chip per fungsi ter integrasi. Pada proyeksi tersebut, Gordon E. Moore memproyeksikan bahwa jumlah komponen bertambah sebanyak dua kali lipat setiap 12 bulan. Proyeksi ini ditampilkan hingga tahun 1975, dan dapat dianggap akurat dengan kenyataan nya sampai beberapa dekade kedepan setelah paper tersebut dirilis.

Proyeksi Moore pada Paper nya

Namun, pada tahun 1975, Moore merevisi perkiraan nya pada IEEE International Electron Devices Meeting. Moore mengatakan bahwa kompleksitas devais akan terus bertambah dua kali lipat setiap tahunnya hingga tahun 1980, dimana laju pertambahannya akan berkurang hingga akhirnya bertambah dua kali lipat setiap dua tahunnya.

Angka bahwa jumlah komponen bertambah dua kali lipat setiap 18 bulan tidak pernah disitasikan oleh Moore sendiri. Angka tersebut muncul dari seorang karyawan Intel bernama David House yang memperhitungkan bahwa performa transistor terus meningkat, dan menyimpulkan bahwa angka 24 bulan terlalu lama untuk peningkatan jumlah transistor dan menyebutkan angka 18 bulan. Angka 18 bulan tersebut diterima secara luas oleh para industri yang berkompetisi dalam bidang semikonduktor.

Hukum yang mulai terhalang

Teknologi baru teris diciptakan dalam kompetisi untuk memenuhi Hukum Moore dalam industri mikroprosesor. Penciptaan teknologi seperti strained siliconhigh-k dielectric material, dan tri-gate transistor untuk pemenuhan Hukum Moore ini tidaklah tanpa kesulitan. Teknologi canggih seperti strained silicon dan tri-gate transistor membutuhkan waktu hingga lebih dari 10 tahun untuk produksinya. Fenomena fisika pada skala kuantum tidak dapat dihindari ketika transistor terus diperkecil hingga pada skala atomik. Sebagai contoh, prosesor komputer yang banyak beredar di pasaran pada tahun 2019 ini sudah menggunakan transistor dengan ukuran 14 nanometer, sedangkan jika suatu saat transistor mencapai ukuran 2 nanometer, maka transistor tersebut hanya akan memiliki lebar 10 buah atom silikon! Pada skala ini, fisika mulai bertingkah laku berbeda dengan fisika klasik yang dipelajari saat SMA, dan fenomena fisika yang berbeda ini dinamakan fisika kuantum.

Terdapat juga hukum lain, bernama ”Hukum Rock” (Rock’s Law) atau kadang juga disebut ”Hukum Moore Kedua” (Moore’s Second Law) yang menyatakan bahwa biaya fabrikasi chip akan berlipat dua setiap 4 tahun. Teknologi dapat memberikan cara untuk terus meningkatkan jumlah elektron dalam 1 chip, namun aspek ekonomi tetap menjadi tantangan dimana harga dari teknologi tersebut tentunya tidak murah. Hal ini menjadi rintangan yang sangat berat dimana tujuan dari industri ini adalah pembuatan prosesor yang lebih kecil dan lebih murah.

Hukum Moore kini dan nanti

Setelah mengalami kesulitan yang telah tertulis sebelumnya, kini Hukum Moore tidak lagi menjadi kiblat tunggal dalam kompetisi industri mikroprosesor. Terdapat sebuah set dokumen dengan nama International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) yang disusun oleh para ahli dalam industri mikroprosesor yang berasal dari Amerika Serikat, Jepang, China, Korea Selatan dan Taiwan. Set dokumen ini berisi opini-opini terbaik dari para ahli dalam menentukan arah riset dalam industri mikroprosesor. Pada bulan April 2014, komite ITRS mengumumkan bahwa mereka akan mengatur ulang arah riset pada industri mikroprosesor agar tidak hanya berfokus pada mengecilkan ukuran transistor seperti pada Hukum Moore saja. Arah riset yang dinamakan “ITRS 2.0” ini mengatakan bahwa elemen lain akan ditambahkan dalam fokus industri mikroprosesor ini seperti integrasi sistem, konektivitas sistem luaran, integrasi pabrik, dan fokus-fokus lainnya.

Referensi:

  1. Moore, Gordon E. (1965-04-19). “Cramming more components onto integrated circuits”.
  2. Bellis, Mary. “Biography of Gordon Moore”. ThoughtCo, Jun. 13, 2018. Diakses pada 13 Oktober 2019.
  3. Bright, Peter. “Moore’s law really is dead this time”. Ars Technica. 2/11/2016. Diakses pada 13 Oktober 2019.
  4. P. Gargini, “The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS): “Past, present and future”, GaAs IC Symposium. IEEE Gallium Arsenide Integrated Circuits Symposium. 22nd Annual Technical Digest 2000. (Cat. No.00CH37084), Seattle, WA, USA, 2000, pp. 3-5.

Teknologi Berbasis Fotokatalis: Sebuah Teknologi Potensial di Masa Mendatang

Teknologi Berbasis Fotokatalis: Sebuah Teknologi Potensial di Masa Mendatang

Berbicara mengenai sains dan teknologi, maka kita seperti dihadapkan pada sebuah ladang dengan tanah yang subur, dengan bibit tanaman yang beraneka ragam yang siap kita tanami. Sains dan teknologi seperti tidak ada habisnya untuk dikaji dan diteliti. Salah satu teknologi yang sedang berkembang di beberapa dekade terakhir adalah teknologi fotokatalis.

Fotokatalis (Foto-katalis) adalah sebuah katalis yang dapat dimanfaatkan untuk mempercepat reaksi kimia yang memerlukan atau membutuhkan sinar/cahaya. Fotokatalis merupakan sebuah material yang memiliki kemampuan untuk menyerap sinar dan memproduksi pasangan elektron-hole (e + h+) yang mampu melakukan transformasi kimia melalui proses reduksi dan oksidasi (Chan, Yeong Wu, Juan, & Teh, 2011). Pasangan elektron dan hole bertindak sebagai agen aktif yang berperan dalam menentukan proses reaksi yang akan berlangsung, apakah dalam keadaan oksidasi atau reduksi. Ketika molekul bertemu dengan hole (h+) maka proses yang berlangsung adalah proses oksidasi dimana sebaliknya jika molekul melakukan kontak dengan elektron (e) yang tereksitasi, maka proses yang berlangsung adalah proses reduksi. Namun, perlu diperhatikan bahwa proses reaksi hanya bisa berlangsung ketika elektron dan hole bermigrasi ke permukaan material dan kontak dengan molekul target dengan cepat. Proses reaksi tidak akan pernah terjadi jika terjadi rekombinasi elektron dan hole yang diakibatkan oleh adanya pelepasan energi (panas) oleh material.

Gambar 1. Mekanisme proses aktivasi material fotokatalis

sumber: (Hui Pan, 2016) yang dimodifikasi sesuai dengan interpretasi penulis

Pada prosesnya, material fotokatalis menyerap energi foton dari sumber sinar kemudian mengkonversinya ke dalam bentuk energi kimia untuk digunakan dalam berbagai reaksi kimia. Material ini juga dianggap sebagai salah satu teknologi yang ramah lingkungan (green technology) dikarenakan berpotensi untuk memanfaatkan sinar matahari untuk digunakan dalam beberapa aplikasi (M. P. V. K. Anpo, 2010). Karakteristik yang menyerap sinar menjadikan material fotokatalis sangat berpotensi untuk diterapkan di Indonesia dikarenakan Indonesia merupakan negara tropis dengan intensitas sinar matahari yang cukup tinggi. Kombinasi antara intensitas matahari yang tinggi dan material fotokatalis dengan aktivitas yang tinggi dapat menjadi suatu teknologi masa depan yang dapat dimanfaatkan di Indonesia.

Secara umum, material fotokatalis adalah material semikonduktor dimana beberapa penelitian juga melaporkan bahwa beberapa senyawa organik juga memiliki kemampuan untuk digunakan sebagai material fotokatalis (Vyas, Lau, & Lotsch, 2016). Titanium dioksida (TiO2) adalah material fotokatalis yang paling banyak diteliti untuk diaplikasikan dalam berbagai aplikasi (Shan, Ghazi, & Rashid, 2010).

Dalam penerapannya, material fotokatalis dapat diterapkan dalam berbagai aspek seperti proses pengelolaan limbah industri dan pertanian (Gupta & Tripathi, 2011), proses disinfeksi pada air minum (Gamage McEvoy & Zhang, 2014), sintesis kimia (Uddin et al., 2012), sensor gas (Suman, Felix, Tuller, Varela, & Orlandi, 2015), dan produksi hidrogen (Chen, Wu, Wu, & Tsai, 2011). Beberapa penerapan yang sudah mulai dikembangkan ke skala industri antara lain penggunaan material fotokatalis TiO2 sebagai material aktif pada cat tembok untuk menjaga agar warna cat tetap cerah dan membantu proses purifikasi udara ruangan (Auvinen & Wirtanen, 2008). Pada dasarnya, penggunaan material fotokatalis pada cat digunakan untuk mendegradasi molekul organik yang menempel pada cat ataupun yang terkandung di udara di dalam ruangan. Ketika cat terpapar oleh sinar matahari, maka material fotokatalis yang terdapat pada cat akan teraktifkan dan mendekomposisi setiap molekul organik yang menempel atau bersentuhan dengan cat, sehingga warna cat akan tetap cerah dan tahan lama (Gambar 2). Untuk info penggunaan material TiO2 dalam cat bisa di lihat di icis.com.

Gambar 2. Ilustrasi penggunaan material fotokatalis sebagai bahan aktif pada cat tembok

Baru-baru ini, peneliti dari University of Antwerp di Belgia telah menciptakan alat yang mampu memurnikan udara tercemar menggunakan sinar matahari sambil memproduksi hidrogen yang disimpan dan digunakan untuk sumber energi (Gambar 3). Mereka mengklaim menggunakan material light activated catalyst sebagai material pintar yang bekerja untuk menjalankan dua proses tersebut. Pada dasarnya, material fotokatalis yang mereka gunakan menerapkan prinsip oksidasi dan reduksi secara bersamaan dimana pada proses penjernihan udara, material fotokatalis menerapkan proses oksidasi melalui hole (h+) yang dihasilkan, dan proses produksi hidrogen, material fotokatalis menerapkan proses oksidasi melalui elektron (e) yang tereksitasi.

Sumber: https://www.livescience.com/59173-device-purifies-air-and-creates-energy.html

Karakteristik material yang sangat unik menjadikan material ini sebagai material yang sangat menjanjikan untuk diaplikasikan di masa mendatang. Proses penelitian berbasis material fotokatalis terus dilakukan hingga saat ini, mayoritas penelitian berbasis pada optimalisasi material dan rekayasa proses yang dapat secara optimum memanfaatkan karakteristik material fotokatalis untuk dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Kita harapkan suatu saat material ini dapat menjadi salah satu teknologi yang dapat diterapkan di Indonesia.

Referensi
  • Anpo, M. P. V. K. (2010). Environmentally Benign Photocatalysts. (M. Anpo & P. V. Kamat, Eds.). New York, NY: Springer New York. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48444-0
  • Auvinen, J., & Wirtanen, L. (2008). The influence of photocatalytic interior paints on indoor air quality. Atmospheric Environment, 42(18), 4101-4112. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.01.031
  • Chan, S. H. S., Yeong Wu, T., Juan, J. C., & Teh, C. Y. (2011). Recent developments of metal oxide semiconductors as photocatalysts in advanced oxidation processes (AOPs) for treatment of dye waste-water. J Chem Technol Biot, 86(9), 1130-1158. https://doi.org/10.1002/jctb.2636
  • Chen, J.-J., Wu, J. C. S., Wu, P. C., & Tsai, D. P. (2011). Plasmonic Photocatalyst for H 2 Evolution in Photocatalytic Water Splitting. The Journal of Physical Chemistry C, 115(1), 210-216. https://doi.org/10.1021/jp1074048
  • Gamage McEvoy, J., & Zhang, Z. (2014). Antimicrobial and photocatalytic disinfection mechanisms in silver-modified photocatalysts under dark and light conditions. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 19, 62-75. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2014.01.001
  • Gupta, S. M., & Tripathi, M. (2011). A review of TiO2 nanoparticles. Chinese Sci. Bull., 56(16), 1639-1657. https://doi.org/10.1007/s11434-011-4476-1
  • Pan, H. (2016). Principles on design and fabrication of nanomaterials as photocatalysts for water-splitting. Renew Sust Energ Rev, 57, 584-601.
  • Shan, A. Y., Ghazi, T. I. M., & Rashid, S. A. (2010). Immobilisation of titanium dioxide onto supporting materials in heterogeneous photocatalysis: A review. Applied Catalysis A: General, 389(1-2), 1-8. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2010.08.053
  • Suman, P. H., Felix, A. A., Tuller, H. L., Varela, J. A., & Orlandi, M. O. (2015). Comparative gas sensor response of SnO2, SnO and Sn3O4 nanobelts to NO2 and potential interferents. Sensors and Actuators B: Chemical, 208, 122-127. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.10.119
  • Uddin, M. T., Nicolas, Y., Olivier, C., Toupance, T., Servant, L., MA?ller, M. M.,  Jaegermann, W. (2012). Nanostructured SnO2-ZnO Heterojunction Photocatalysts Showing Enhanced Photocatalytic Activity for the Degradation of Organic Dyes. Inorg Chem, 51(14), 7764-7773. https://doi.org/10.1021/ic300794j
  • Vyas, V. S., Lau, V. W., & Lotsch, B. V. (2016). Soft Photocatalysis: Organic Polymers for Solar Fuel Production. Chemistry of Materials, 28(15), 5191-5204. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b01894

Baca juga Mengenal Baterai Alumunium-Udara (Al-air), Baterai yang Lebih Unggul dari Lithium-ion dan Telah Diterapkan di Mobil Listrik