Tugas Arsitektur Komputer MKOM

38
TRANSISTOR HIGH-KDAN 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

Transcript of Tugas Arsitektur Komputer MKOM

Page 1: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 2: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 3: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 4: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 5: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 6: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 7: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 8: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 9: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 10: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 11: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 12: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 13: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 14: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 15: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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)

Page 16: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 17: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 18: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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)

Page 19: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 20: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 21: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 22: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 23: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 24: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 25: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 26: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 27: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 28: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 29: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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

Page 30: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 31: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 32: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 33: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 34: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 35: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 36: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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.

Page 37: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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).

Page 38: Tugas Arsitektur Komputer MKOM

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).