tugas arsitektur komputer mkom
Post on 05-Aug-2015
468 Views
Preview:
TRANSCRIPT
TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE
DALAM TEKNOLOGI PROSES 45nm PADA PENRYN
DISUSUN OLEH :
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
NIMXXXXXX - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
UNIVERSITAS BUDI LUHUR
FAKULTAS TEKNOLOGI INFORMASI
JURUSAN MAGISTER ILMU KOMPUTER
JAKARTA
2011
1 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
DAFTAR ISI
LATAR BELAKANG .............................................................................................. 2
ALASAN PEMILIHAN JUDUL ................................................................................ 3
MASALAH KHUSUS YANG DIBAHAS PADA TULISAN INI ............................ 4
PENGANTAR MIKROARSITEKTUR ..................................................................... 5
INTEL CORE MICROARCHITECTURE: SEBUAH OVERVIEW .................... 9
ROADMAP MIKROPROSESOR INTEL ................................................................. 11
OVERVIEW PERKEMBANGAN TEKNOLOGI PROSESOR INTEL ............... 15
MOORE’S LAW DAN TICK TOCK DEVELOPMENT MODEL ......................... 20
MASALAH PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MIKROPROSESOR ................. 23
‘HIGH-K’ MATERIAL DAN METAL GATE TRANSISTOR .............................. 27
DIE SHRINKING 45nm: PENRYN ........................................................................... 31
ADA APA SETELAH 45nm? ..................................................................................... 32
KESIMPULAN .............................................................................................. 34
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 36
2 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
LATAR BELAKANG
Teknologi komputer telah menjadi sebuah solusi global untuk berbagai masalah-
masalah manusia. Bermula dari tujuannya sebagai alat bantu komputasi sederhana, ko mputer
telah mengalami perkembangan pesat baik secara fisik maupun secara fungsional. Jika pada
awal-awal pemunculannya komputer hanya dapat melakukan operasi-operasi matematik
sederhana dengan bentuk fisik yang besar, komputer pada masa kini telah bersifat multifungsi
dan tersedia dalam berbagai bentuk serta ukuran fisik yang memungkinkan penggunaan
secara mobile.
Tentu saja, perubahan yang sedemikian pesat tersebut dapat terwujud karena beberapa
hal. Di samping dukungan perangkat lunak (bahasa pemrograman, software dan sistem
operasi) yang memiliki domain-domain yang beragam (bisnis, multimedia, science dan lain-
lain), perkembangan ini juga terwujud oleh karena evolusi yang terjadi pada arsitektur
komputer itu sendiri. Perubahan dan perkembangan pada sebuah arsitektur komputer akan
sangat berdampak pada perkembangan komputer. Lebih khusus lagi, perubahan pada sebuah
arsitektur komputer ditentukan oleh bagaimana arsitektur tersebut dibentuk untuk memenuhi
kebutuhan penggunanya.
Untuk melakukan evolusi pada tingkat arsitektural bukan pekerjaan yang mudah, sebab
perubahan ini mencakup perubahan pada tingkat desain CPU dan berkaitan dengan masalah
fabrikasi. Para produsen perangkat mikroprosesor memiliki kendala yang sama : keterbatasan
teknologi untuk memacu produksi prosesor yang benar-benar memenuhi kriteria pengguna
komputer. Dan masalah ini menjadi bahan penelitian selama bertahun-tahun, sampai Intel
merilis sebuah teknologi yang membawa perubahan besar bukan hanya kepada teknologi
manufaktur Intel secara internal saja, melainkan berdampak kepada seluruh industri
mikroprosesor secara global. Teknologi tersebut diterapkan di dalam produksi prosesor yang
merupakan bagian dari pengembangan arsitektur Core milik Intel, yakni Penryn.
3 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
ALASAN PEMILIHAN JUDUL KARYA TULIS
Adapun alasan yang melatar belakangi pilihan untuk membahas arsitektur Penryn pada
tulisan ilmiah sesuai judul yang diajukan ini adalah sebagai berikut :
1. Secara bisnis, pengembangan arsitektur Core milik Intel ke Penryn dilakukan pada
saat yang tepat, saat Intel sedang berusaha melepaskan diri dari tekanan pesaing
bisnis mereka saat itu, AMD dan IBM.
2. Secara filosofi teknologi, terobosan yang dilakukan oleh Intel pada arsitektur
Penryn telah memungkinkan mereka (dan produsen mikroprosesor pada umumnya)
untuk memenuhi dan melanjutkan prinsip pengembangan teknologi mikroprosesor
yang diuraikan di dalam Hukum Moore, baik secara bisnis maupun secara
teknologi.
3. Secara teknis, teknologi proses yang digunakan oleh Penryn adalah terobosan
besar yang bukan saja terjadi pada internal Intel sebagai produsennya, melainkan
juga merupakan pencapaian baru dalam sejarah industri mikroprosesor pada
umumnya.
4 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
MASALAH KHUSUS YANG DIBAHAS DI DALAM TULISAN INI
Karangan ilmiah ini disusun untuk membahas beberapa hal secara khusus yang terdapat
pada arsitektur Penryn yang dikembangkan oleh Intel. Hal-hal khusus yang bersifat teknis
tersebut adalah :
1. Penggunaan High-K material pada produksi transistor dengan gerbang metal
(HK+MT transistor).
2. Fabrikasi 45nm process technology sebagai versi turunan (die shrinking) dari 65nm
process technology pada arsitektur Intel sebelumnya (Core).
Sebagai pengantar ke dalam pembahasan teknis yang khusus di atas, sebelumnya akan
diuraikan terlebih dahulu mengenai konsep mikroarsitektur komputer dan CPU design,
mikroprosesor, dan dilanjutkan dengan pembahasan kepada mikroarsitektur Intel sebagai
bahan referensi sejarah perkembangan arsitektur Penryn. Dilanjutkan dengan prinsip-prinsip
pengembangan teknologi mikroprosesor Intel dan permasalahan umum pada industri
mikroprosesor yang melatar belakangi lahirnya teknologi transistor HK+MT, beserta
keuntungan yang dituju melalui teknologi ini, baik secara teknis maupun secara bisnis. Akan
dibahas pula mengenai fabrikasi 45nm dan prospek pengembangannya pada prosesor di masa
depan, yang mengantarkan tulisan ini kepada beberapa kesimpulan akhir.
5 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
PENGANTAR MIKROARSITEKTUR
Mikroarsitektur (microarchitecture, µarch, uarch) adalah sebuah konsep yang memiliki
beberapa alternatif penjelasan sebagai berikut :
Menurut Wikipedia :
Microarchitecture consists of a set of microprocessor design techniques
used to implement the instruction set (including microcode, pipelining, cache
systems, etc.).
Menurut Bruce Shriver dan Bennet Smith :
Microarchitecture is the term used to describe the resources and methods
used to achieve architecture specification. The term typically includes the
way in which these resources are organized as well as the design techniques
used in the processor to reach the target cost and performance goals. The
microarchitecture essentially forms a specification for the logical implementation.
(The Anatomy of a High Performance Microprocessor: A Systems Perspective)
Dari kedua defenisi tersebut, dapat ditarik sebuah kesimpulan mengenai apa itu istilah
atau konsep mikroarsitektur, yakni sebuah konsep yang terdiri dari beberapa bagian spesifik
yang berfungsi untuk melakukan fungsi-fungsi kelas obyek (komponen) untuk mendukung
fungsi arsitektur secara keseluruhan. Dengan bahasa yang lebih sederhana, mikroarsitektur
adalah sebuah sub system dari sebuah arsitektur secara keseluruhan.
Dalam kaitannya dengan arsitektur komputer, mikroarsitektur adalah salah satu konsep
yang esensial. Jika arsitektur berbicara tentang interkoneksi perangkat keras komputer, maka
mikroarsitektur berbicara tentang bagaimana melakukan koneksi-koneksi tersebut, instruksi
apa yang harus dijalankan dan hal-hal khusus lainnya. Dengan demikian, pada level yang
lebih khusus, mikroarsitektur menentukan desain inti dan konsep-konsep teknis yang akan
dijalankan di dalam proses mikroprosesor.
6 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Hal ini yang kemudian membedakan prinsip dan tujuan arsitektural dengan tujuan serta
prinsip mikroarsitektural. Jika peningkatan performa sistem adalah tujuan utama pada level
arsitektural, maka tujuan dari pengembangan pada level mikroarsitektural adalah :
1. Pengembangan chip dengan mempertimbangkan biaya produksi.
2. Penanganan penggunaan sumber daya.
3. Kompleksitas sistem.
4. Kemudahan interkoneksi.
5. Fabrikasi.
6. Kemudahan debugging.
7. Ketersediaan test tools.
Tuntutan akan ketersediaan sistem komputer yang memiliki performa tinggi telah
menyebabkan perubahan-perubahan pendekatan dan teknik perancangan sistem pada level
mikroarsitektural. Pada era komputer modern, pendekatan-pendekatan tersebut adalah :
1. Pemilihan instruction set yang tepat
Pemilihan ISA (Instruction Set Architecture) adalah salah satu pendekatan paling
penting. Jenis ISA yang digunakan akan menentukan tingkat fleksibilitas dan
kompleksitas hubungan antara mikroprosesor dengan perangkat keras lainnya.
2. Penggunaan teknik instruction pipelining
Instruction pipelining adalah salah satu pendekatan tertua, terefisien dan paling
powerful untuk meningkatkan performa mikroprosesor. Dengan menggunakan
teknik ini, pemrosesan instruksi pada mikroprosesor tidak mengalami idle yang
terlalu besar.
3. Penggunaan cache
Penggunaan cache berangkat dari ketersediaan ruang di dalam chip, yang
dimungkinkan oleh semakin majunya proses fabrikasi. Prosesor modern
dikembangkan dengan konsep IC (integrated circuit), dengan memampatkan
berjuta-juta transistor ke dalam satu keping chip. Ini memungkinkan manufaktur
untuk menempatkan cache memory ke dalam chip yang sama. Dalam proses
kerjanya, kombinasi antara cache dan prinsip pipelining menghasilkan kinerja yang
cukup memuaskan.
7 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
4. Teknik branch prediction dan speculative execution
Untuk memaksimalkan kinerja, desain mikroprosesor modern menggunakan dua
teknik dalam menjalankan instruksi, yakni branch prediction dan speculative
execution. Branch prediction adalah sebuah teknik untuk menentukan eksekusi
pada sebuah instruksi bercabang. Sedangkan speculative execution adalah teknik
untuk mengeksekusi sebuah kode secara spekulatif. Kedua teknik ini digunakan
dalam mikroprosesor modern yang telah mengadopsi konsep pipelining.
5. Out-of-order execution
Out-of-Order Execution (OoOE) adalah sebuah pendekatan untuk memangkas
waktu delay (stall) dengan menggunakan delay tersebut untuk melakukan proses
pada instruksi lainnya. Kebanyakan delay yang terjadi pada prosesor disebabkan
karena ketiadaan (keterlambatan) data, dan konsep ini diciptakan untuk mengisi
delay tersebut dengan memproses instruksi yang lengkap sebelum kemudian
melakukan rekonstruksi pada program order dan data order untuk memberikan
output yang teratur sesuai dengan urutan instruksi yang diterima.
6. Superskalar
Pada awalnya, prosesor melakukan eksekusi terhadap satu buah instruksi lengkap
pada satu kesempatan. Program komputer dapat dieksekusi lebih cepat jika beberapa
instruksi diproses secara bersamaan. Prosesor superskalar mengeksekusi lebih dari satu
instruksi pada satu clock cycle dengan melakukan dispatching beberapa instruksi secara
bersamaan ke dalam beberapa unit instruksi ke dalam prosesor seperti ALU, FPU dan bit
shifter.
7. Register renaming
Register renaming adalah teknik yang digunakan untuk memperbolehkan banyak
instruksi untuk dijalankan tanpa harus menimbulkan konflik antara berbagai unit
eksekusi yang menggunakan satu register secara bersamaan. Teknik ini dilakukan
dengan cara meletakkan satu set (bukan satu buah) register ke dalam prosesor
dalam waktu yang bersamaan.
8 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
8. Multiprocessing dan multithreading
Multiprocessing adalah kemampuan prosesor untuk melakukan beberapa proses
dalam waktu yang bersamaan. Ada perbedaan dengan multithreading, dimana
multithreading adalah kemampuan prosesor untuk memecahkan proses ke dalam
beberapa thread yang berbeda, dimana masing-masing thread tersebut dapat
menggunakan sumber daya yang berbeda-beda, namun dapat dijalankan secara
independen.
9. Simultaneous multithreading
Simultaneous multithreading (SMT) adalah pengembangan dari konsep
multithreading, yang masih merupakan fitur yang berupa obyek penelitian dan
pengembangan. Pada prosesor multithreading, eksekusi dijalankan secara linear,
sedangkan pada SMT, hal tersebut diubah dengan mengizinkan tiap thread untuk
melakukan proses secara paralel.
9 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
INTEL CORE MICROARCHITECTURE: SEBUAH OVERVIEW
Intel Core Microarchitecture, atau yang sebelumnya dikenal dengan nama Next-
Generation Micro-Architecture (NGMA) adalah arsitektur berbasis 65nm process untuk
prosesor multi-core yang mulai diperkenalkan oleh Intel pada tahun 2006. Arsitektur ini
merupakan penyempurnaan dari arsitektur sebelumnya (Yonah) dan arsitektur P6 (Pentium
Pro) serta arsitektur berbasis NetBurst lainnya yang diperkenalkan sejak tahun 1995.
Penyempurnaan arsitektur ini dikarenakan oleh konsep NetBurst yang memiliki banyak
masalah, antara lain pemborosan tenaga serta ketidakmampuan teknologi ini untuk
mengurangi panas, yang berujung pada gagalnya peningkatan kecepatan (clock speed) serta
berbagai masalah lainnya. Oleh karena itu, Intel kemudian berpaling pada konsep Core, yang
merupakan hasil desain tim IDC (Intel Developer Centre) Israel, tim yang sama yang
sebelumnya merancang Pentium M untuk prosesor mobile.
Prosesor generasi pertama yang lahir dari arsitektur ini adalah prosesor-prosesor
dengan codename Merom (selanjutnya Merom menggantikan nama arsitektur Core ini dalam
pengembangan arsitektur Intel), Conroe dan Woodcrest. Merom didesain untuk mobile
computing, Conroe dirilis untuk sistem desktop dan Woodcrest untuk server. Meskipun lahir
dari satu arsitektur yang sama, namun ketiganya memiliki perbedaan pada penggunaan
socket, kecepatan bus dan tingkat penggunaan sumber daya. Ciri khas yang menyamakan
ketiga prosesor ini adalah beberapa fitur turunan dari NetBurst seperti penggunaan multiple
core, dukungan terhadap virtualisasi perangkat keras (melalui teknologi Intel VT-x), fitur
Intel 64 dan SSE3, dengan perbaikan terhadap efektifitas pada tahap decoding, unit eksekusi,
cache dan bus serta menekan konsumsi sumber daya dan pada saat yang bersamaan
meningkatkan kapasitas proses. Satu ciri lagi adalah dihilangkannya teknologi Hyper-
Threading, sebelum teknologi ini kembali diperkenalkan pada saat Intel merilis arsitektur
berikut mereka, Nehalem.
Silsilah secara umum (walaupun belum lengkap) dari arsitektur Intel secara
keseluruhan dapat dilihat pada grafik berikut. Dalam grafik tersebut, mikroarsitektur Intel
dicantumkan berdasarkan nama rilis yang diumumkan secara resmi oleh Intel dari tahun
1995.
10 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Silsilah mikroarsitektur Intel (http://www.hardwaresecrets.com/intel_roadmap/)
Dalam perkembangannya, sampai pada tahun ini (2011) arsitektur yang telah dirilis
oleh Intel adalah Sandy Bridge (32nm), dan direncanakan akan diikuti oleh Ivy Bridge,
kemudian berikutnya adalah arsitektur Haswell (2013/22nm), Skylake, Larrabee dan Bonell.
11 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
ROADMAP MIKROPROSESOR INTEL
Debut Intel dimulai dengan processor seri MCS4 yang merupakan cikal bakal dari
prosesor i4004. Processor 4 bit ini yang direncanakan untuk menjadi otak kalkulator, namun
karena ternyata prosesor ini jauh lebih hebat dari yang diharapkan, Intel menggunakannya
dalam pengembangan lebih lanjut. Berikutnya muncul processor 8 bit pertama i8008 (1972),
tapi kurang diminati konsumen karena bersifat multivoltage.
Pada tahun 1974, Intel merilis processor i8080, dengan perubahan ke format triple
voltage serta menggunakan teknologi NMOS (Intel menggunakan teknologi PMOS pada seri-
seri awal prosesor mereka), dan memperkenalkan sistem clock generator untuk pertama
kalinya, dikemas dalam bentuk DIP Array 40 pins. Prosesor i8080 adalah prosesor dengan
register internal 8-bit, bus eksternal 8-bit, dan memori addressing 20-bit (dapat mengakses 1
MB memori total), dan modus operasi REAL. Pada tahun 1977 Intel merilis seri 8085,
dengan clock generator onprocessor, cikal bakalnya seri i8086, prosesor dengan register 16-
bit, bus data eksternal 16-bit, dan memori addressing 20-bit, yang dirilis pada tahun 1978
menggunakan teknologi HMOS. Namun karena saat itu komponen pendukung bus 16 bit
sangat langka, harga prosesor ini menjadi sangat mahal.
Maka untuk menjawab tuntutan pasar muncul i8088 dengan spesifikasi 16bit bus
internal serta 8bit bus external. IBM memilih chip ini untuk pebuatan IBM PC karena lebih
murah daripada i8086. Chip 8088 dan 8086 kompatibel penuh dengan program yang dibuat
untuk chip 8080, walaupun mungkin ada beberapa program yang dibuat untuk 8086 tidak
berfungsi pada chip 8088 dikarenakan adanya perbedaan lebar bus. Sejak seri i80186,
prosessor mulai dikemas dalam bentuk PLCC, LCC dan PGA 68 kaki. i80186 secara fisik
berbentuk bujursangkar dengan 17 kaki persisi (PLCC/LCC) atau 2 deret kaki persisi (PGA)
dan mulai dari i80186 inilah chip DMA dan interrupt controller disatukan ke dalam
processor. Semenjak menggunakan 286, mulai dikenal penggunaan slot ISA 16 bit yang
dikembangkan dari slot ISA 8 bit, juga mulai dikenal penggunaan Protected Virtual Adress
Mode yang memungkinkan dilakukannya multitasking secara time sharing (via hardware
resetting).
Pada tahun 1985, Intel meluncurkan desain prosesor yang sama sekali baru: i80386.
Sebuah prosesor 32-bit, dalam arti memiliki register 32-bit, bus data eksternal 32-bit, dan
12 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
mempertahankan kompatibilitas dengan prosesor generasi sebelumnya, dengan tambahan
diperkenalkannya mode PROTECTED 32-BIT untuk memori addressing 32-bit, mampu
mengakses maksimum 4 GB, dan tidak lupa tambahan beberapa instruksi baru. Chip ini
mulai dikemas dalam bentuk PGA (pin Grid Array) Pada tanggal 6 Oktober 1998, Intel
Corporation meliris prosessor rangkap versi tercepat Intel® Pentium® II Xeon™ dengan
kecepatan 450 MHz, dirancang khusus untuk digunakan pada Prosessor-dual (two-way)
Workstation dan servers. Prosessor baru ini di harapkan mampu membangun sebuah
kepercayaan yang kokoh agar Pentium® II Xeon™ dapat di terima di pasaran dan bisa
dijadikan prosessor dasar bagi semua Workstation dan Server.
Seperti anggota keluarga yang lain dari Intel® Inside microprocessor, hal yang paling
menonjol pada prosessor Pentium® II Xeon™ 450 MHz adalah Caches Level 2 (L2) yang
lebih besar, kecepatan pemrosesan data, penanganan khusus pada proteksi arus panas,
Kemampuan Multiprosessing, dan 100-MHz Bus sistem. AGPset Intel® 440GX untuk
workstation dan server dengan satu atau dua prosessor mampu menyediakan support memory
hingga 20-GB dan Grafik AGP yang lebih halus dan lebih realistis. Prosessor ini juga
menunjang pengembangan Sistem Operasi seperti Windows NT (New Technology) untuk
Workstation, Windows NT untuk Servers, Netware dan UNIX. Prosessor Pentium® II
Xeon™ 450 MHz dengan 512 KB L2 cache seharga $824, sekitar Rp. 5.768.000,- (kurs Rp
7000,- per Dollar); Prosessor Pentium® II Xeon™ 450 MHz empat jalur (Four-way) jika
tidak berhalangan akan terealisasi di awal tahun 1999.
Pada tahun 1999, Intel mengeluarkan prosessor dengan tipe Intel® Pentium® III
Processor. Processor Pentium III merupakan processor yang diberi tambahan 70 instruksi
baru yang secara dramatis memperkaya kemampuan pencitraan tingkat tinggi, tiga d imensi,
audio streaming, dan aplikasi-aplikasi video serta pengenalan suara. Disamping itu pada
tahun yang sama Intel juga mengeluarkan prosesor tipe Intel® Pentium® III Xeon®.
Processor Intel ini kembali merambah pasaran server dan workstation dengan mengeluarkan
seri Xeon tetapi jenis Pentium III yang mempunyai 70 perintah SIMD.
Pada tahun 2000, Intel mengeluarkan prosessor dengan tipe Intel® Pentium® 4
Processor. Processor Pentium 4 merupakan produk Intel yang kecepatan prosesnya mampu
menembus kecepatan hingga 3,06 GHz. Pertama kali keluar processor ini berkecepatan 1.5
GHz dengan form factor pin 423, setelah itu Intel merubah form factor processor Pentium 4
menjadi pin 478 yang dimulai dari processor Pentium 4 berkecepatan 1,3 GHz sampai yang
13 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
terbaru yang saat ini mampu menembus kecepatannya hingga 3,4 GHz. Pada tanggal 9
Agustus 2006, Intel Corporation meluncurkan prosesor Intel Core 2 Duo yang ditujukan bagi
PC dan workstation desktop dan laptop consumer dan bisnis – prosesor dengan teknologi
yang dapat menghasilkan kinerja lebih, konsumsi daya lebih kecil, serta keleluasaan
pemakaian bagi para penggunanya.
Prosesor-prosesor Intel Core 2 Duo dibangun di beberapa fasilitas manufaktur
bervolume tinggi dan canggih di dunia menggunakan proses berteknologi silikon 64-
nanometer dari Intel. Versi PC desktop dari prosesor-prosesor ini juga menghasilkan
peningkatan kinerja hingga 40 persen dan efisiensi daya hingga 40 persen dibandingkan
prosesor terbaik Intel generasi sebelumnya. Keluarga prosesor ini didasarkan pada arsitektur
mikro Intel Core yang revolusioner, dirancang untuk menghasilkan kinerja yang bertenaga
namun dengan pemakaian daya efisien. Dengan kekuatan dua inti, atau mesin komputasi,
prosesor-prosesor ini bisa mengerjakan banyak pekerjaan dengan lebih cepat. Prosesor-
prosesor ini juga bisa bekerja tanpa masalah saat menjalankan lebih dari satu aplikasi. Chip-
chip inti-ganda ini juga meningkatkan performa beragam aplikasi dan memungkinkan umur
baterai yang lebih baik untuk notebook-notebook yang lebih ramping dan ringan.
Prosesor-prosesor Intel Core 2 Duo memiliki banyak inovasi tingkat lanjut, seperti:
a) Intel Wide Dynamic Execution – Meningkatkan kinerja dan efisiensi. Masing-masing
inti bisa menyelesaikan hingga empat instruksi penuh secara bersamaan menggunakan
sebuah pipeline 14-tahap yang efisien.
b) Intel Smart Memory Access – Meningkatkan kinerja sistem dengan menyembunyikan
latency memori, yang kemudian mengoptimalkan penggunaan bandwidth data
komputer yang tersedia untuk menyediakan data ke prosesor ketika dibutuhkan.
c) Intel Advance Smart Cache – Memiliki sebuah cache atau cadangan memori L2 yang
berbagi untuk mengurangi daya dengan meminimalkan “lalu lintas” memori tapi
meningkatkan kinerja dengan memungkinkan satu inti untuk menggunakan seluruh
cache ketika core yang lain sedang tidak bekerja. Hanya Intel yang menyediakan
kemampuan ini di seluruh segmen.
d) Intel Advanced Digital Media Boost – Secara efektif menggandakan kecepatan
eksekusi untuk instruksi- instruksi yang banyak digunakan di aplikasi-aplikasi
multimedia dan grafis.
14 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
e) Intel 64 Technology – Penambahan ke arsitektur Intel 32-bit ini mendukung
komputasi 64-bit, termasuk memungkinkan prosesor untuk mengakses memori yang
lebih besar.
f) Intel Dynamic Power Coordination – Mengkoordinasikan transisi- transisi Enhanced
Intel SpeedStep® Technology dan tahap manajemen daya idle (C-states) secara
independen per inti untuk membantu mengirit daya.
g) Intel Dynamic Bus Parking – Memungkinkan penghematan daya dan umur batere
yang lebih baik dengan memungkinkan chipset untuk menurunkan daya bersama
dengan prosesor dalam modus frekuensi rendah.
h) Enhanced Intel Deeper Sleep dengan Dynamic Cache Sizing – Menghemat daya
dengan “menguras” data cache ke memori sistem selama periode idle untuk
menurunkan voltasi prosesor.
Secara garis besar, roadmap perjalanan perkembangan mikroprosesor Intel dapat
digambarkan ke dalam tabel seperti berikut :
Tahun Seri Clock Speed Jumlah
Transistor
Manufacturing
Technology 1971 4004 108KHz 2,300 10µ
1972 8008 500-800KHz 3,500 10µ 1974 8080 2MHz 4,500 6µ
1978 8086 5MHz 29,000 3µ 1979 8088 5MHz 29,000 3µ
1982 286 6MHz 134,000 1.5µ
1985 386 16MHz 275,000 1.5µ 1989 486 25MHz 1,200,000 1µ
1993 Pentium 66MHz 3,100,000 0.8µ 1995 Pentium Pro 200MHz 5,500,000 0.6µ
1997 Pentium II 300MHz 7,500,000 0.25µ 1999 Pentium III 500MHz 9,500,000 0.18µ
2000 Pentium 4 1.5GHz 42,000,000 0.18µ 2002 Pentium M 1.7GHz 55,000,000 90nm
2002 Itanium 2 1GHz 220,000,000 0.13µ 2005 Pentium D 3.2GHz 291,000,000 65nm
2006 Core 2 Duo 2.39GHz 291,000,000 65nm 2006 Itanium 2 9000 1.66GHz 1,720,000,000 90nm
2006 Quad Core 2.66GHz 582,000,000 65nm 2007 Dual Core (Penryn) > 3GHz 820,000,000 45nm
Tabel perkembangan prosesor Intel dari tahun 1971 – 2007 (http://www.intel.com)
15 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
OVERVIEW PERKEMBANGAN TEKNOLOGI PROSESOR INTEL
Berbicara tentang perjalanan perkembangan mikroprosesor Intel, tidak lengkap jika
tanpa membahas tentang perkembangan teknologi yang digunakan oleh Intel pada setiap rilis
produk mikroprosesornya. Untuk itulah di sini akan diuraikan secara umum perkembangan
penggunaan teknologi pada setiap rilis mikroprosesor yang diproduksi oleh Intel.
Sebagai pendahuluan, terobosan yang dilakukan Intel sebenarnya telah dimulai saat
Pentium dirilis. Pada tahun 1992, mereka mengeluarkan seri 80386SX-16 yang menggunakan
gerbang silikon. Minimum dari ukuran gerbangnya adalah sebesar 1.1µ, dan ukuran per
transistornya adalah sebesar 3.3µ.
Foto die dari mikroprosesor Intel 803866SX-16 (lebar gerbang :1.1µ)
Pada tahun berikut, Intel meluncurkan seri Pentium lainnya yang menggunakan 3 juta
transistor dan difabrikasi dengan menggunakan teknologi proses BiCMOS 0.8µ. Ini
merupakan generasi awal dari keluarga Pentium yang menggunakan transistor bipolar.
Ukuran gerbang transistornya mengecil menjadi 0.6µ dan ukuran tiap keping transistornya
sebesar 1.9µ. Transistor MOS ini menggunakan silicide Ti pada gerbangnya dan difusi S/D
serta mengaplikasikan struktur sederhana dari silikon nitrida. Bagian ini menggunakan tiga
buah level A1 metal dan dilengkapi dengan 6T SRAM yang memiliki sel berukuran 122µ.
16 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Foto die Intel Pentium Prosesor (dengan ukuran gerbang MOS sebesar 0.65µ)
Pada tahun 1994, seri Pentium lainnya, P54C dirilis dengan menggunakan teknologi
proses 0.60µ BiCMOS dengan transistor bergerbang MOS berukuran 0.45µ di atas chip metal
berukuran 1.45µ. Material yang digunakan untuk transistornya tidak berubah. Pada rilis ini
digunakan empat level A1 metal.
Foto die Intel Pentium (P54C)
Pentium Pro yang dirilis pada tahun 1996 dibuat menggunakan proses BiCMOS 0.35µ,
dengan transistor bergerbang MOS berukuran 0.30µ dan minimum keping metal berukuran
0.95µ. Transistor ini berbahan Ti silisida pada gerbangnya dan difusi S/D, serta masih
menggunakan struktur silikon nitrida.
Foto die Pentium Pro 200Mz
17 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Pada tahun berikutnya, Intel merilis lagi seri P200Mhz, tapi kali ini dilengkapi dengan
teknologi MMX. Sejak saat ini Pentium telah beralih sepenuhnya kepada teknologi proses
berbasis CMOS. Transistor pada prosesor ini berukuran 0.30µ, meski banyak pihak yang
menyimpulkan bahwa ukuran sebenarnya adalah 0.28µ.
Pada seri berikutnya (Prosesor 266 MHz 32-bit dengan codename Klamath), barulah
ukuran tersebut benar-benar turun menjadi 0.28µ, dengan ukuran chip metal 0.95µ. Fabrikasi
ini tetap menggunakan 4 level metal A1 dan masih tidak merubah material serta bahan dasar
untuk gerbang-gerbang transistornya.
Foto die Pentium 266MHz 32-bit (Klamath)
Pada tahun 1998, Intel merilis Pentium II 333 MHz 32-bit (Deschutes) dengan
teknologi proses 0.25µ, kali ini telah beralih sepenuhnya kepada CMOS. Terdiri dari prosesor
MOS berukuran 0.20µ dan ukuran chip untuk per unit sebesar 0.65µ, prosesor ini
menambahkan satu level tambahan pada interkoneksi metal A1, tetapi tanpa ada perubahan
pada struktur gerbangnya.
Foto die Pentium II 32-bit 333 MHz (Deschutes)
18 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Pada tahun 1999, Pentium III 550 MHz dirilis, dengan spesifikasi proses CMOS 0.18µ,
terdiri dari transistor MOS berukuran 0.13µ dengan lebar keping metal per transistornya
sebesar 0.70µ. Prosesor ini memuat 9.5 juta transistor, lima level metal A1 dan SRAM 6T
berukuran 11.9µ. Pada seri ini, Intel tidak melakukan perubahan terhadap material dasar.
Foto die Pentium III 550 MHz 32-bit
Pada akhir tahun 1999, Intel merilis Pentium III 650 MHz (Coppermine) dengan
spesifikasi transistor bergerbang NMOS sebesar 0.08µ dan 0.10µ PMOS. Gerbang pada
transistor mengalami kerapatan untuk mengurangi lebar fisik dari gerbang transistor tersebut.
Dan mungkin yang merupakan perubahan paling besar adalah penggunaan bahan silikon pada
gerbang elektroda dan difusi S/D.
Foto die Pentium III 650 MHz (Coppermine)
Tahun 2001 adalah pertama kalinya Intel memperkenalkan Cu part yang digunakan
pada Pentium III 1.2 GHz yang mengandung 44 juta transistor. Gerbang transistor
menggunakan buffer oxide dan silikon L-shaped SWS. Minimum lebar gerbang adalah 0.07µ
untuk transistor NMOS dan PMOS. Ukuran keping metal per 1 pitchnya adalah 0.47µ.
19 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Foto die Pentium III 1.2 GHz
Tahun berikutnya adalah tahun istimewa untuk Intel. Mereka merealisasikan strategi
shrinking transistor dengan Pentium 4 2.8 GHz (Prescott). Gerbang transistor pada prosesor
ini masih menggunakan buffer oxide dan silikon nitride SWS, namun lebih tipis dari rilis
sebelumnya.
Foto die Pentium 4 2.8 GHz
Tahun berikutnya, terjadi evolusi dengan penyusutan proses 90nm ke 65nm dengan
perubahan besar-besaran pada transistor yang digunakan. Prosesor dengan codename Presler
(2.8 GHz, dual core) menggunakan transistor dengan lebar gerbang hanya 42nm untuk
NMOS dan 38nm untuk PMOS.
20 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
MOORE’S LAW DAN TICK TOCK DEVELOPMENT MODEL
Perubahan-perubahan yang telah dilakukan oleh Intel dan seluruh produsen mikrochip
di dunia didasarkan oleh sebuah telaah oleh Gordon Moore, salah seorang pendiri Intel
sendiri yang dipublikasikan oleh jurnal elektronik Amerika Serikat, Electronics, pada tahun
1965. Artikel ini sebenarnya merupakan sebuah analisa dan prediksi semata, namun karena
tingkat keakuratannya yang tinggi, artikel dan analisa Moore menjadi patokan untuk para
pengembang mikroprosesor sampai saat ini dan dikenal sebagai „Hukum Moore‟ (Moore‟s
Law).
Dalam artikelnya tersebut, Moore mengatakan bahwa “the number of transistors that
can be fit onto a square inch of silicon doubles every 12 months”. Namun Moore tidak
mendeskripsikan secara khusus sisi teknis dari perubahan tiap 12 bulan tersebut. Sebenarnya,
yang Moore maksudkan di dalam artikel tersebut adalah prospek bisnis dan kelangsungan
produksi mikroprosesor, bukan bagaimana menghasilkan teknologi transistor baru.
Perkembangan jumlah transistor dalam prosesor sesuai Hukum Moore
21 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Moore mencoba menjelaskan tentang proses penyusutan biaya produksi (cost) chip
mikroprosesor, daripada lebih menjelaskan tentang teknisnya. Ia berpandangan, jika biaya
produksi mikroprosesor dapat ditekan dan dikontrol, maka harga perangkat keras dan
perangkat lunak komputer akan semakin murah. Hal ini wajar apabila dikaitkan dengan harga
transistor serta biaya penelitian yang bisa memakan biaya sangat mahal. Jika penggunaan
transistor dapat ditekan (atau dimampatkan), maka biaya produksi akan turun dengan
signifikan dan akan mempengaruhi pula harga jual. Pada akhirnya, harga perangkat (mesin)
komputer akan dengan sendirinya semakin terjangkau.
Namun, Hukum Moore ini tetap paralel secara teknis dengan pengembangan mutu kerja
mikroprosesor. Penyusutan komponen inti prosesor (transistor) memang dibutuhkan untuk
menekan panas dan overload pada penggunaan sumber daya, yang pada akhirnya akan
berdampak pada semakin cepatnya proses kerja prosesor itu sendiri. Jadi bukan merupakan
sebuah masalah apabila Hukum Moore kemudian diadopsi oleh seluruh produsen
mikroprosesor. Yang jelas adalah, Hukum Moore haruslah dipandang dari dua sisi yang
sama, yakni sisi produksi (pembiayaan produksi) atau bisnis, serta sisi teknis.
Hukum Moore ini kemudian dikembangkan oleh Intel dengan salah satu terobosan lain
mereka dalam hal development model (model pengembangan) teknologi mikroprosesor yang
dikenal sebagai Tick-tock development model. Model ini diadopsi dari model pengembangan
yang dihasilkan oleh Ashwani Gupta, salah seorang peneliti pada Jones Farm.
Dengan pola pengembangan Tick-tock, Intel dapat melakukan proses produksi dan
pengembangan setiap tahun, dengan dibagi dalam dua tahap (fase) sebagai berikut :
a. Tick (pengembangan teknologi proses) : Sebuah „tick‟ adalah fase pengecilan
(shrinking) komponen semikonduktor (transistor) pada prosesor dengan beberapa
penyempurnaan pada material perangkat keras untuk pendukung pemrosesan. Fase ini
diterapkan pada arsitektur sebelumnya.
b. Tock (proses pembangunan arsitektur baru) : Sebuah „tock‟ adalah sebuah
pengembangan dan rilis arsitektur baru yang merupakan penyempurnaan keseluruhan
dari fase sebelumnya (tick). Dalam setiap tahun, Intel menargetkan setidaknya terjadi
satu kali tick atau tock.
22 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Pada tahun 2006, terjadi tock pertama, dengan dirilisnya arsitektur baru (Merom/Core).
Pada tahun berikutnya terjadi tick, dimana lahir mikroprosesor dengan codename Penryn,
yang merupakan cikal bakal bagi arsitektur mikroprosesor Intel selanjutnya.
Model pengembangan arsitektur Intel (tick -tock) sejak tahun 2006
(http://www.overclock3d.net/news/cpu_mainboard/intel_core_i7_presentation/1)
Pada perkembangannya, model ini telah sampai pada tock ke tiga, dengan dirilisnya
arsitektur baru (Sandy Bridge) pada tahun ini (2011). Jika dirunut dari diagram
perkembangan teknologi CPU Intel, kita akan mendapatkan tick berikut (Ivy Bridge) pada
tahun 2012.
23 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
MASALAH PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MIKROPROSESOR
Kembali sejenak kepada Hukum Moore, kepadatan transistor di dalam sebuah keping
IC bertambah dua kali lipat dalam dua tahun. Dalam 15 tahun terakhir, Intel menggunakan
partikel silicon dioxide (SiO2) untuk gerbang dielektrik di dalam transistor-transistornya. Dan
seiring perjalanan teknologi, dan untuk memenuhi Hukum Moore di atas, ukuran transistor
tersebut harus mengalami penyusutan. Penyusutan ukuran fisik dari transistor
memperbolehkan pihak produsen untuk memproduksi lebih banyak lagi prosesor dalam satu
wafer silikon (akan dijelaskan kemudian). Di samping itu, secara teknis, pengecilan ukuran
fisik memberikan peluang untuk diproduksinya sebuah chip yang lengkap, serta dapat
meningkatkan kinerja prosesor itu sendiri. Sekali lagi, kembali kepada Hukum Moore,
penyusutan ukuran transistor di dalam IC prosesor memiliki dua manfaat: penurunan biaya
produksi dan pencapaian tingkat kinerja prosesor secara signifikan.
Hal ini yang kemudian menjadi masalah, sebab menurut perhitungan fisika, untuk
memenuhi Hukum Moore, ukuran fisik transistor harus disusutkan sampai pada faktor 0.7.
Masalahnya adalah, ada sebuah partikel di dalam transistor tradisional yang tidak bisa
disusutkan lagi ukurannya. Partikel itu adalah gerbang oksida pada transistor yang berbahan
silicon dioxide (SiO2), partikel insulator yang memiliki tugas untuk melakukan isolasi
terhadap gerbang transistor secara elektris pada saat transistor sedang berada di dalam state
on. Layer insulator ini telah mengalami penyusutan pada tiap arsitektur baru sejak tahun
1990-an. Dan pada dua generasi sebelum Penryn lahir, ukuran insulator tersebut telah turun
sebanyak 1.2nm, atau setara dengan 5 kali ukuran atom.
Itu adalah ukuran maksimal, dan tidak ada lagi solusi untuk memperkecil ukuran
tersebut ke dalam ukuran ideal, yakni 10nm lebih kecil. Dalam ukuran yang sedemikian kecil
saja, insulator sudah menjadi masalah. Semakin kecil dan tipis, fungsi gerbang dielektrik
menjadi lumpuh, dan semakin banyak elektron yang bocor pada saat transistor berada dalam
posisi on. Tanpa sebuah terobosan yang benar-benar revolusioner, perkembangan produksi
prosesor dapat mengalami kemacetan dan tidak mampu untuk menghasilkan perkembangan
sesuai dengan apa yang diharapkan oleh pengguna komputer pada umumnya.
Untuk lebih memperjelas uraian teknis tersebut, kita perlu mempelajari cara kerja
transistor tradisional yang telah digunakan sejak tahun 1965. Transistor yang digunakan di
24 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
dalam prosesor, memory, dan chip-chip lainnya adalah transistor yang berjenis metal-oxide-
semiconductor field effect type (MOSFET). Transistor ini adalah switch dengan berbahan
dasar polysilicon dan silicon dioxide (SiO2), seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.
Karena bersifat sebagai switch, cara kerja transistor ini adalah dengan menggunakan voltase
pada salah satu gerbangnya, untuk melakukan kontrol (switch) terhadap masuk-dan keluarnya
arus terhadap dua buah gerbang lainnya (source/sumber dan drain/pembuangan).
MOSFET terdiri dari dua buah jenis, yakni N (NMOS, n-type) dan P (PMOS, p-type).
Yang menjadi perbedaan di antara dua varian MOSFET ini adalah bahan dasar kimia yang
digunakan untuk membuat komponen gerbang, sumber dan pembuangannya. Rangkaian IC
pada mesin-mesin modern menggunakan kedua varian transistor MOSFET ini. Transistor-
transistor tersebut disusun di atas sebuah wafer kristal silikon, kemudian silikon tersebut
“diinjeksi” melalui proses kimia (dikenal dengan istilah doping) untuk memasukkan senyawa
arsenik, fosfor atau boron. Injeksi boron akan menambahkan carrier untuk muatan positif
kepada kristal silikon tersebut, kemudian disebut holes, membuatnya menjadi p-type,
sedangkan injeksi dengan arsenik atau fosfor akan menambahkan elektron, yang akan
membuatnya menjadi n-type.
Contoh wafer silikon.
25 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Kita amati transistor NMOS, yang bagian dasar dari daerah sumber serta pembuangan
pada transistor ini dibuat dengan menggunakan bahan silikon n-type. Di antara dua wilayah
tersebut, terdapat sebuah saluran tipis yang bertipe p-type, yang disebut kanal transistor,
dimana arus masuk mengalir. Di atas dari kanal tersebut terdapat sebuah lapisan tipis
insulator berbahan silicon dioxide, yang disebut gerbang insulator atau gerbang oksida.
Gerbang inilah yang menjadi sumber masalah. Di atas dari gerbang insulator terdapat
gerbang elektroda yang berbahan dasar silikon.
Transistor NMOS bekerja dengan ilustrasi sebagai berikut: arus positif pada gerbang
memicu medan listrik ke seluruh lapisan oksida. Medan listrik ini kemudian menutup holes
dan menarik elektron untuk membentuk kanal penyalur elektron di antara sumber dan
pembuangan. Transistor PMOS adalah penyeimbang dan pelengkap untuk operasi ini, dimana
tegangan positif pada gerbang transistor PMOS akan melakukan pemutusan terhadap aliran
elektron yang masuk. Dengan demikian, secara teori, transistor hanya mengambil daya
(power) pada saat ia berada dalam keadaan ON atau OFF. Dari cara kerja kedua transistor
inilah istilah CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) lahir. Kedua transistor ini
digunakan secara bersama-sama, dengan urutan yang telah ditentukan untuk dapat mengisi
dan menyeimbangkan (complement) tugasnya masing-masing.
Operasi on dan off pada transistor tradisional dan ilustrasi kebocoran arus
Di atas adalah ilustrasi cara kerja transistor MOSFET tradisonal. Idealnya, pada saat
transistor berada dalam keadaan “ON”, arus pada Ion harus mengalami peningkatan tegangan,
sebaliknya pada saat transistor berada dalam keadaan “OFF”, tidak boleh ada tegangan yang
masuk. Semakin tinggi nilai Ion akan membuat transistor berada dalam frekuensi kerja yang
26 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
lebih cepat. Sayangnya, transistor yang cepat seringkali memiliki tingkat kebocoran arus
yang besar pula. Sumber kebocoran arus yang paling besar adalah pada gerbang oksida (Igate).
Performa transistor dapat ditingkatkan dengan cara menipiskan gerbang oksida ini,
namun penipisan gerbang ini juga menjadi masalah karena tingkat kebocoran arus akan
semakin besar. Hal ini terjadi karena pada lapisan yang paling tipis, gerbang oksida atau
insulator akan kehilangan fungsinya, dan tidak dapat lagi menahan arus yang masuk. Inilah
yang menyebabkan disipasi panas dan daya, yang mengakibatkan penurunan performa
prosesor serta komputer secara keseluruhan.
Ilustrasi kebocoran arus pada gerbang oksida yang ditipiskan
Jadi konsekuensi dari peningkatan kecepatan transistor adalah peningkatan (pula) pada
kebocoran arus, dan ini membawa masalah serius terhadap pengembangan transistor dan
prosesor untuk masa depan. Keadaan ini disadari oleh Intel dan berbagai pengembang
mikrochip lainnya, yang mulai mengadakan penelitian pada pertengahan tahun 1990-an.
Fokus dari penelitian mereka adalah mencari bahan atau material baru yang akan digunakan
untuk mengganti silikon oksida pada gerbang oksida, agar penipisan dapat dilakukan dengan
menekan tingkat kebocoran arus.
27 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
‘HIGH-K’ MATERIAL DAN METAL GATE TRANSISTOR
Solusi dari permasalahan pada gerbang oksida transistor, demi peningkatan frekuensi
elektron untuk mempercepat kerja transistor adalah bagaimana memformulasikan seb uah
material dasar sebagai pengganti silikon oksida (SiO2). Diharapkan, material baru ini dapat
membentuk sebuah gerbang yang memiliki ketebalan cukup untuk mencegah kebocoran,
namun dapat menyerap medan elektrik pada gerbang, masuk ke dalam kanal untuk
menyalakan transistor. Dengan kata lain, materi tersebut harus tebal secara fisik, namun tipis
secara elektris. Material yang memiliki sifat tersebut dispesifikasikan sebagai „high-k‟. k,
konstanta dielektrik, adalah istilah yang merujuk kepada kemampuan material yang
bersangkutan untuk mengkonsentrasikan medan elektrik. „high-k‟ berarti insulator tersebut
memiliki kemampuan yang sama dengan insulator tradisional yang memiliki ketebalan lebih
besar.
Intel adalah produsen pertama dalam dalam sejarah industri mikrochip yang
menemukan solusi untuk permasalahan ini, dengan mengembangkan material baru
berkategori „high-k‟ berbasis hafnium untuk menggantikan silikon dioksida. Penggunaan
materi high-k pada gerbang insulator dikombinasikan dengan pergantian bahan polysilikon
pada gerbang elektroda dengan bahan metal.
Ilustrasi perbandingan antara transistor tradisional dengan HK+MG transistor
28 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Pada gambar di atas diilustrasikan perbandingan antara transistor tradisional yang
menggunakan material SiO2 (silikon dioksida) sebagai bahan gerbangnya, dengan HK+MG
transistor. Pada Merom, tebal gerbang insulator pada transistor hanya sebesar 1.2nm, tipisnya
gerbang ini membuat elektron bisa menyusup masuk dan menyebabkan kebocoran arus.
Perbedaan mendasar antara kedua transistor tersebut adalah pada gerbang berbahan
high-k, dimana untuk menggantikan SiO2, Intel mengembangkan sebuah material baru yang
berbasis hafnium. Ada beberapa jenis hafnium yang telah dikembangkan, termasuk hafnium
oksida (HfO2), hafnium silika (HfSiO) dan beberapa jenis lain yang masih dalam tahap
penilitian dan pengembangan. HfO2 saja memiliki nilai k sebesar 29, sekitar 6 kali lebih besar
dan lebih baik dari SiO2 yang memiliki nilai k hanya sebesar 3.9.
Proses pengontrolan medan elektris oleh insulator dengan high-k material
Oleh karena sifat dasar hafnium yang dapat meningkatkan medan elektrik, yang
mengontrol kanal pada daerah sumber dan pembuangan pada transistor, maka gerbang oksida
telah dapat dipertebal (perhatikan gambar di atas sebagai ilustrasi dari proses ini). Hasil dari
perpaduan kedua proses tersebut adalah peningkatan pada Ion dan penurunan tingkat
kebocoran. Pada gambar di bawah ditunjukkan stack gerbang pada transistor baru itu, dengan
ketebalan pada gerbang insulator sebesar 2.2nm.
Stack gerbang pada transistor HK+MG
29 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Perubahan lain yang terjadi adalah penggunaan metal pada gerbang elektroda. Hal ini
dilakukan sebab material hafnium ternyata tidak kompatibel dengan material polisilikon yang
digunakan sebagai material lama pada gerbang tersebut. Untuk prosesor keluarga Penryn,
digunakan dua jenis metal yang berbeda untuk transistor NMOS dan transistor PMOS, namun
detail dari material metal tersebut tidak diuraikan secara khusus oleh Intel sampai saat ini.
Detail dari bagan penyelesaian masalah kebocoran arus dengan penggunaan material high-k serta
gerbang metal
Penggunaan materi high-k dan metal gate pada prosesor memberikan banyak keuntungan
dibandingkan dengan transistor tradisional pada arsitektur yang lama. Keuntungan-keuntungan
tersebut adalah:
1. Menyusutkan ukuran transistor sampai dua kali lipat. Ini berarti Intel dapat menempatkan
lebih banyak lagi transistor. Dengan demikian, Intel memiliki alternatif untuk membuat
chip prosesor yang lebih kecil lagi, atau menempatkan lebih banyak transistor ke dalam
chip yang berukuran sama dengan chip prosesor pada arsitektur sebelumnya.
2. Penurunan daya sebesar 30 persen untuk proses switching pada transistor.
30 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
3. Turunnya waktu proses (switching) pada transistor sebanyak 20 persen (atau peningkatan
proses switching sebanyak 20 persen), atau penurunan kebocoran arus sebesar 5 persen.
4. Penurunan kebocoran pada gerbang transistor sebanyak 10 kali.
Kombinasi high-k material dan metal gate pada transistor ini masih dipertahankan sampai Intel
merilis arsitektur terbaru mereka pada tahun 2011 (tahun ini), Sandy Bridge.
31 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
DIE SHRINKING 45nm: PENRYN
Penryn adalah prosesor (keluarga prosesor) pertama yang difabrikasi dengan teknologi
proses 45nm, menggunakan transistor HK+MG yang merupakan teknologi baru dalam
sejarah perjalanan industri mikrochip. 45nm menyatakan 45 nanometer, ukuran fisik dari
masing-masing transistor yang ditanam ke dalam sebuah chip. Penryn adalah versi die shrink
(penyusutan) dari arsitektur sebelumnya. Jika pada Merom adalah 65nm, maka Penryn mengalami
penyusutan sampai 45nm. Sebagai perbandingan, jika pada prosesor Merom terdapat sekitar 582 juta
transistor, maka prosesor keluarga Penryn menampung sekitar 820 juta transistor di dalam tiap
kepingnya.
Ukuran transistor ini memiliki peranan penting dalam mempercepat kinerja proses switching
pada prosesor. Dalam keluarga Penryn, kerapatan 45nm ini menjadikan satu buah transistor dapat
melakukan proses switching sebanyak 300 miliar dalam satu detik. Kecepatan clock dapat
ditingkatkan hingga 25 persen, dan kinerja dapat didongkrak sampai 35 persen.
Foto die Penryn 45nm
Pada 27 Januari 2007, Penryn secara resmi diperkenalkan oleh Intel kepada publik. Penryn
dirilis dengan beberapa varian, Dual-Core (410 juta transistor) dan Quad-Core (820 juta transistor).
Varian-varian tersebut terdiri dari 16 prosesor, yang diperuntukkan untuk desktop (QX960), server
(Xeon 5400 45nm), PDA dan mobile.
32 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
ADA APA SETELAH 45nm?
Seperti yang kita ketahui, perkembangan selanjutnya dari teknologi proses 45nm
dengan Penryn sebagai pelopornya adalah Nehalem dan Sandy Bridge. Nehalem adalah
mikroarsitektur hasil pengembangan Penryn, dan Sandy Bridge adalah pengembangan
teknologi proses dari Nehalem (perhatikan diagram Tick-tock development model pada
pembahasan sebelumnya). Sesuai dengan roadmap pengembangan Intel, kita akan
mendapatkan Ivy Bridge, Larabee, Haswell dan lain- lainya di masa depan. Semuanya masih
menggunakan konsep Tick-tock development model.
Roadmap (perjalanan) teknologi intel dari edisi Penryn ke tahun 2015 mendatang.
Seiring dengan pergantian mikroarsitektur Intel, dan dengan pola pengembangan
teknologi proses yang demikian dinamis, jumlah transistor di dalam prosesor pun meningkat
drastis, sesuai dengan penurunan ukuran fisik transistor tiap dua tahun. Hal ini menggenapi
dan meneruskan Hukum Moore itu sendiri. Dan salah satu aspek yang paling penting, selain
dari sisi teknis, bahwa fabrikasi mikroprosesor pun dapat berjalan dengan lancar karena biaya
produksi lebih dapat ditekan.
Berikutnya, adalah pertanyaan besar. Terobosan apa lagi, bentuk teknologi baru apa
lagi yang harus diusung saat perkembangan prosesor semakin maju ke depan? Setelah
terobosan teknologi transistor HK+MG dibuat oleh Intel, tidak mustahil jika akan ada
revolusi lainnya yang terjadi untuk memenuhi Hukum Moore dan kebutuhan proses
mikrochip pada umumnya.
33 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
Ukuran transistor sampai pada tahun 2011 telah menyusut sampai angka 22nm. Dan
pada pertengahan tahun ini, Intel kembali membuat sejarah dengan mengumumkan has il
penelitian mereka mengenai konsep teknologi transistor Tri-Gate, atau transistor 3D Tri-Gate.
Rencananya, transistor ini akan digunakan dalam arsitektur berikut, Ivy Bridge, dengan
teknologi proses 22nm. Transistor ini dijanjikan akan memiliki kecepatan yang jauh lebih
tinggi bahkan dibandingkan dengan transistor yang ada sekarang ini. Meskipun demikian,
untuk beberapa waktu ke depan, material dasar pembuatan komponen transistor pabrikan
Intel sepertinya belum mengalami perubahan berarti. Terobosan HK+MG pada transistor
modern masih menjadi tumpuan sampai beberapa tahun ke depan.
34 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
KESIMPULAN
Setelah membahas berbagai masalah dan perkembangan teknologi sesuai dengan judul
tulisan ilmiah yang diajukan, ada beberapa hal yang dapat diuraikan sebagai kesimpulan
akhir mengenai tulisan ini. Kesimpulan-kesimpulan tersebut adalah sebagai berikut :
1. Perlu ada pemahaman yang seimbang mengenai Hukum Moore.
Pemahaman Hukum Moore harus diseimbangkan antara sisi bisnis dan sisi teknis.
Selama ini banyak pihak yang hanya melihat Hukum Moore sebagai panduan teknis
saja. Hal ini penting, sebab perhitungan faktor bisnis harus dipertimbangkan secara
matang sebelum sebuah penelitian dan pengembangan teknologi dilakukan.
2. Transistor HK+MG adalah salah satu terobosan ilmiah berharga sepanjang
sejarah.
Tidak berlebihan apabila disebutkan bahwa kita bisa saja belum dapat memasuki
era multicore jika terobosan ini tidak dilakukan oleh Intel (dan kemudian akan
diikuti oleh IBM serta AMD). Penggunaan hafnium dan metal sebagai material
dasar pembuatan komponen transistor telah membawa dua keuntungan, yakni
penekanan biaya produksi dan peningkatan kinerja transistor. Selain itu, penemuan
ini telah menjamin bahwa pengembangan mikroprosesor berdasarkan Hukum
Moore akan berjalan lebih lama lagi.
3. Penryn adalah salah satu pengembangan mikroarsitektur yang penting dalam
sejarah Intel.
Jika dilihat dari peta perjalanan prosesor Intel berdasarkan model pengembangan
Tick-tock, Penryn berada di dalam fase “tick”, yakni fase rekonstruksi teknologi
proses. Ini berarti semua perubahan teknis (teknologi proses) yang terjadi pada
Penryn akan mempengaruhi mikroarsitektur berikutnya (pada fase “tock”, kita
kenal sekarang dengan nama “Nehalem”). Di samping itu, Penryn adalah “tick”
pertama, dan juga prosesor pertama dalam sejarah yang menggunakan transistor
HK+MG serta berteknologi proses 45nm. Material HK+MG di dalam transistor-
transistor Penryn masih digunakan sampai sekarang.
35 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
4. Perlu ada tinjauan khusus mengenai teknologi baru mengenai transistor.
Seiring dengan perkembangan, mikrochip harus menyesuaikan diri dengan
kebutuhan para penggunanya. Semakin kecil ukuran sebuah chip, maka akan
semakin mudah pula untuk mengimplementasikan teknologinya terhadap berbagai
platform dan bentuk kebutuhan. Bukan tidak mungkin, ada perkembangan-
perkembangan baru di dalam lingkungan teknologi proses dan transistor. Suatu saat
nanti, ukuran transistor akan semakin kecil dan besar kemungkinan akan ada
teknologi baru untuk menggantikan material transistor yang sekarang ini kita kenali.
36 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
DAFTAR PUSTAKA
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Microarchitecture, diakses pada tanggal 15 Oktober 2011.
2. Shriver, Bruce dan Smith, Bennet. The Anatomy of a High Performance
Microprocessor: A Systems Perspective. Isi dikutip dari
http://www.deepakalur.com/blog/2005/04/25/what-is-a-micro-architecture/, diakses
pada tanggal 15 Oktober 2011.
3. http://en.wikipedia.org/wiki/CPU_design, diakses pada tanggal 15 Oktober 2011.
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Microprocessor, diakses pada tanggal 16 Oktober 2011.
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Core_%28microarchitecture%29, diakses tanggal 16
Oktober 2011.
6. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_CPU_microarchitectures#x86_microarchitect
ures, diakses pada tanggal 16 Oktober 2011.
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Tick-Tock, diakses pada tanggal 16 Oktober 2011.
8. Purbo, Onno W. Dasar-dasar Transistor MOSFET, (http://kambing.ac.id/onnopurbo/,
didownload pada tanggal 17 Oktober 2011).
9. Fontaine, Roy. Intel Transistor Innovation (Online). 17 Oktober 2007,
(http://www.chipworks.com/en/technical-competitive-analysis/resources/technology-
blog/2007/10/intel-transistor- innovation-part-1/, diakses pada tanggal 17 Oktober 2011)
10. Fontaine, Roy. The Path from Pentium to Penryn (Online). 22 Oktober 2007,
(http://www.chipworks.com/en/technical-competitive-analysis/resources/technology-
blog/2007/10/the-path-from-pentium-to-penryn-part-2/, diakses pada tanggal 17
Oktober 2011).
11. Stokes, Jon. Understanding Moore‟s Law (Online). 20 Februari 2003,
(http://arstechnica.com/hardware/news/2008/09/moore.ars, diakses tanggal 18 Oktober
2011).
12. Bohr, Mark, Chau, Robert, Ghani, Tahir dan Mistry, Kaizad. The High-k Solution
(Online). Oktober 2007, (http://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/the-highk-
solution/0, diakses pada tanggal 19 Oktober 2011).
37 | TEKNOLOGI PROSES 45nm BERBASIS TRANSISTOR ‘HIGH-K’ DAN METAL GATE PADA PENRYN
13. Kanter, David. Intel‟s 45nm Surprise: High-k Dielectrics dan Metal Gates (Online). 27
Januari 2007,
(http://www.realworldtech.com/page.cfm?ArticleID=RWT012707024759, diakses
tanggal 19 Oktober 2011).
14. Smalley, Tim. Intel 45nm Technology Overview (Online). 27 Januari 2007,
(http://www.bit-
tech.net/hardware/cpus/2007/01/27/intel_45nm_technology_overview/1, diakses pada
tanggal 19 Oktober 2011).
top related