Belajar Komputer Bersama Putra Gorontalo

Selasa, 22 Juli 2008

Pengantar Perkembangan CMOS:
LSI (Large Scale IC) terdiri dari komponen transistor dan elektronik lainnya yang dibuat dengan teknologi planar dari lapisan-lapisan film tipis. Seiring dengan tingkat scaling/miniaturisasi yang makin tinggi, ketebalan film semakin tipis, mendekati batas molekul film itu sendiri. Untuk menembus batasan ini, dan untuk terus meningkatkan performance dan fungsi LSI, material-material baru diriset dan dikembangkan secara besar–besaran untuk diintroduksi kedalam LSI. Disini akan dikenalkan perkembangan berbagai film tipis yang digunakan dalam LSI. Tulisan ini didasarkan pada paper Iwai Hiroshi dan Ohmi Shun-ichiro (Tokyo Institute of Technology) dari Jurnal Oyo Buturi terbitan Januari 2000 dengan berbagai tambahan dari berbagai sumber.
Pendahuluan
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) diproduksi secara besar-besaran pada tahun 1960-an sejak Silikon Oksida (SiO2) digunakan sebagai gate dielectric pada transistor. Tapi penggunaan MOSFET sebagai basis LSI baru dikenalkan pada awal 1970-an setelah analisis kestabilan oksida dan teknologi rangkaian listrik MOS berkembang dan dikenal secara luas.
Yang pertama muncul adalah PMOS LSI (MOS dengan tipe p, berarti carriernya adalah hole yang bermuatan listrik positif). Alasannya adalah pengontrolan threshold voltage Vth (voltase terkecil yang dibutuhkan untuk menggerakkan transistor) yang gampang pada PMOS. Dengan ukuran lebar wiring ―yang merupakan satuan standar pada proses pembuatan LSI (dikenal juga dengan sebutan design rule atau teknologi nod atau generasi)―, sekitar 10μ, 1kbit memori dan 4bit mikroprosesor berhasil dibuat. Dalam 2, 3 tahun kemudian NMOS (tipe n dengan carrier elektron) berhasil dibuat sehingga kecepatan transistor meningkat. Ini disebabkan oleh massa efektif elektron yang lebih kecil dibanding hole, sehingga mobilitas (kecepatan dalam satuan medan listrik) elektron lebih tinggi dari hole.
Selanjutnya pada akhir 1980-an, gabungan NMOS dan PMOS membentuk Complementary MOS (CMOS) yang unggul dalam segi hemat energi, menjadi pemain utama dan terus menjadi bintang hingga design rule menyentuh 130nm saat ini.
Gambar 1 menunjukkan penampang NMOS LSI generasi pertama. Total film yang dipakai dari lapisan Source/Drain sampai Passivation adalah 8 lapis, terdiri dari kombinasi hanya 3 jenis film (yaitu Si, SiO2 dan Al), dan 5 jenis atom (yaitu Si, O, Al, B dan P). Dan Gambar 2 adalah CMOS LSI yang digunakan saat ini, terdiri dari berbagai jenis dan lapisan film (Si, SiO2, SiON, PSG, BPSG, TiN/Ti, W, TiSi2, CoSi2, Al, Cu dll) serta atom (Si, O, N, P, B, Ti, W, Co, Al, Cu dll) yang lebih banyak dan rumit dibanding generasi pertama. Dalam kurun 30 tahun, telah terjadi peningkatan kecepatan mikroprosesor sampai 1000 kali lipat (dari 750 KHz menjadi 733 MHz pada 1999). Single crystalline Siliconp-wellGate Poly-Sin-Drainn-SourceGate dielectricInsulator (SiO2+BPSG)Al wiringPassivationSingle wiringPassivation Single crystalline SiliconSiO2n-wellp-wellGate dielectricp-Gate Poly-Sin-Gate Poly-Sin-Sourcen-Drainp-Sourcep-DrainGate dielectricInsulatorW-ContactCu-M1Cu-V1HM/ESPassivationCu-V2Cu-M3Cu-V3Cu-M4Cu-M2Single ContactSingle dielectricSingle M2
Gambar 2. Penampang sederhana LSI generasi 180nm (CMOS)
Ini didukung oleh scaling (miniaturisasi) yang mengikuti Hukum Moore (insinyur pendiri Intel Inc.). Pada tahun 1965, Gordon Moore merumuskan bahwa tiap 2 tahun transistor bisa diperkecil menjadi setengahnya, sehingga total transistor dalam satu chip menjadi 4 kali lipat (Lihat Tabel 1 yang menunjukkan ukuran tiap film dengan membandingkan transistor pada 1974 dan 1999 dan Tabel 2 yang menunjukkan scaling dengan parameter k). Makin kecil ukuran transistor, maka kecepatan frekwensinya makin tinggi dan makin banyak jumlah transistor dalam satu LSI maka performance dan fungsi LSI itu akan meningkat sedang cost dapat ditekan. Sebagai contoh, jumlah transistor dalam prosesor i8088 buatan tahun 1981 adalah 29 ribu, prosesor 486 tahun 1989 adalah 1 juta, dan Pentium 4 with HT Technology tahun 2002 adalah 55 juta. Inilah yang mendorong usaha terus menerus dari produsen LSI untuk memperkecil ukuran transistor sehingga mencapai 130nm pada tahun 2002, walaupun saat ini terjadi perlambatan pada Hukum Moore.
Dan untuk itu jumlah dan jenis film makin meningkat dan kombinasinya juga semakin rumit, menuntut kontrol kualitas yang tinggi dari tiap film.
Tahun 1974Tahun 1999Perbandingan6 μ0.14 μ～/40110～00 nm4～ nm～/30300 nm 250～50 nm1～/2Extension700 nm70～5 nm1/10～/20Contact hole700 nm140～0 nm1/5～/10700 nm700～00 nm1～/2-60 nmnm1000 nm2000～50 nm2～/36 μ0.18 μ～/301200～00 nm1200～00 nm～6 μ0.2 μ～/30-0.26 μal wiringebal insulator antar metalDiameter Contact holeiameter Via holeebal Silicideal Field SiO2(Isolasi)ebal Gate Spacerebal metal wiringamanunction Gatebal Gate Dielectricebal Gate ElectrodeScalingPanjang Gate1/kLebar Gate1/kTebal Gate Dielectric1/kKedalaman Junction1/kVoltase Baterai1/kKonsentrasi Impuritask
PanjangTe
T
KedalNMOSJ
TTeb
Tabel 2. Hukum Scaling -150～0 T
Lebar metT

Gate Dielectric
Salah satu parameter penting performance MOS adalah driven current (atau drain current Id), yaitu nilai arus listrik yang mengalir dari Source ke Drain melalui channel yang terbentuk dibawah Gate dielectric karena kontrol Gate Voltage (Vg). Nilai Id ini ditentukan oleh ketebalan Gate dielectric(= nilai kapasitor C) dan panjang channel Lc (panjang gate Lg). Makin tipis gate dielectric (nilai C tinggi) dan makin pendek channel maka Id semakin tinggi, yang berarti frekwensi makin cepat.
Silikon Oksida (SiO2) digunakan sebagai Gate dielectric karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai untuk insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10MV/cm), kestabilan terhadap panas, bahan mentah yang melimpah ruah dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang terjebak dalam interlayer<1011/cm2) dan surface roughness yang rendah. Kualitas interlayer Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian utama channel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada yang bisa menandingi SiO2.
Tahun 1994, Roadmap LSI yang disusun oleh ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) memperkirakan bahwa 3nm (10x ukuran molekul SiO2) adalah batasan maksimal miniaturisasi SiO2. Pada ketipisan <3nm, fungsi insulator SiO2 tidak lagi bekerja karena adanya efek tunnel (sifat kuantum elektron sebagai gelombang menembus insulator seakan-akan ada tunnel dalam SiO2 ) sehingga terjadi kebocoran arus. Namun pada teknologi nod <0,1μ, mempertahankan SiO2 setebal 3nm tidak memberikan kontribusi pada performance LSI, walaupun parameter lainnya telah discaling. Dan karena kebocoran arus juga turun seiring dengan makin pendeknya channel, para insinyur LSI berhasil membuktikan bahwa dengan SiO2 setebal 1,1～1,5nm pun MOS bekerja dengan baik. Bahkan terjadi peningkatan performance, dimana nilai Transkonduktans (Id/Vg = Output/Input) sebesar 1000 mS/mm berhasil dibuktikan, merobek prediksi ITRS. Tahun 1997, ITRS merevisi Roadmap untuk Gate dielectric mencapai 1nm atau lebih tipis lagi.
Akan tetapi, tuntutan low energy (=penggunaan baterai penggerak LSI bervoltase lebih rendah) mendorong gate dielectric SiO2 untuk lebih tipis lagi. Ini berarti bahwa batas tunneling secara pasti akan tersentuh dan penggunaan SiO2 menjadi tidak mungkin lagi. Untuk itu para peneliti diseluruh dunia bergerak ke material high-k sebagai pengganti SiO2. Disini k adalah konstanta dielectric suatu insulator. High-k berarti nilai k yang lebih besar dari SiO2 (k=3,9 untuk Thermal SiO2 dan 4,2 untuk TEOS- SiO2).
Mengikuti persamaan capacitor C=ε0・k・（S/d）,dimana ε0 = nilai permitivitas udara, k = konstanta dielectric(udara=1), S = luas permukaan dan d = tebal lapisan dielectric, maka didapat d(high-k) = high-k/3.9・d(SiO2). Berarti untuk mendapatkan nilai C yang sama dengan SiO2 setebal 2nm, material dengan nilai k=40 cukup dengan ketebalan 20nm. Nilai ini cukup tebal untuk menahan efek tunnel.
Saat ini kandidat high-k yang banyak diriset adalah Al2O3, HfO2, ZrO2, dll. Tabel 3 menunjukkan jenis high-k dan metode deposisi yang digunakan oleh masing-masing produsen dan lembaga riset LSI. nilai k : Al2O3=6-13, HfO2=15-40, ZrO2=25, La2O3=20ALD : Atomic Layer DepositionCVD : Chemical Vapor DepositionMOCVD : Metal Organic CVDPVD : Physical Vapor DepositionPerusahaan/LembagaMaterialMetode DeposisiIBMAl2O3, ZrO2ALDIntelHfO2ALDMotorolaHfO2, ZrO2, La2O3ALD, MOCVDAgereHfO2, Zr-aluminateALD, PVDTexas InstrumentsHf-silicatePVDSharpZrO2, Zr-silicatePVDFujitsuHfO2, Al2O3ALD, CVDToshibaZrO2, Zr-silicatePVDHitachiAl2O3ALDSematechHfO2, ZrO2, Zr-silicateALD, MOCVDSamsungAl2O3-HfO2 laminateALDASUKAAl2O3, HfO2ALDMIRAIAl2O3ALDIMECAl2O3, ZrO2ALD
Tabel 3. Material high-k dan metode deposisi tiap perusahaan dan lembaga riset LSI
Banyaknya kandidat high-k menunjukkan tidak adanya material yang sepadan dengan SiO2 untuk bisa menggantikannya dengan segera. Salah satu alasannya adalah bentuk metal yang sangat mungkin mengkontaminasi Silikon sehingga sifat elektriknya tidak terkontrol. Bahkan menurut laporan Lab. for Electronic Material and Devices dari University of North Texas pada suatu symposium November 2002 di Colorado, kelebihan satu-satunya material high-k tersebut hanyalah high-k itu belaka. Adapun sifat-sifat lain seperti daya tahan terhadap medan listrik (SiO2>10MV/cm), nilai energy gap (selisih energi conductivity dengan energy valence; SiO2>5eV), kualitas interlayer Si/high-k (muatan listrik yang terjebak pada Si/SiO2<1011/cm2), mobilitas carrier (material high-k <90% SiO2), arus bocor (SiO2<1A/cm2), dll belum bisa menandingi SiO2. Berbeda dengan introduksi high-k dalam memory, introduksi high-k sebagai gate dielectric masih membutuhkan penelitian yang mendalam.
Gate Electrode
Gambar 3 menunjukkan perubahan dan perkembangan struktur dan material Gate electrode semenjak generasi awal LSI, pada saat ini dan perkiraan masa depan yang banyak diriset. Pada awal 70-an, metal Al digunakan sebagai bahan Gate. Proses flownya adalah deposisi Gate dielectric dan Al setelah Source dan Drain (S/D) selesai dibentuk dengan impurity doping (Gambar 3a). Namun proses ini mengandung resiko ketidaktepatan lithograph sehingga posisi Gate tergeser dari S/D (Gambar 4a).
Untuk mencegah hal ini, dikembangkan proses Self-Alignment, dimana impuritas doping pada S/D dilakukan setelah Gate selesai dibentuk dan Gate itu sendiri menjadi mask (pelindung) bagi film dibawahnya, yaitu dielectric dan channel (Gambar 3b dan 4b). Untuk itu diperlukan material yang tahan terhadap thermal proses untuk rekristalisasi S/D (yang menjadi non kristal karena impuritas doping) dan tidak rusak karena impuritas doping. Disini poly-Si (Silikon berkristal majemuk) menjadi pilihan yang pas karena dengan impuritas doping, hambatan listriknya turun mendekati metal
Kemudian, untuk memenuhi tuntutan hambatan listrik yang lebih rendah seiring miniaturisasi pada Gate, dipermukaan dibentuk metal silicide seperti pada gambar 3c (disebut Polycide). Juga untuk menurunkan hambatan kontak pada S/D, dipermukaan S/D dan Gate dibentuk silicide secara serempak, dan disebut Self Align Silicide (Salicide). Proses ini umumnya diterapkan pada Logic LSI. Perpanjangan dari Polycide adalah dengan menggunakan metal seperti W dan WNx (Gambar 3e).
Seiring dengan itu, Gate dilindungi dengan Spacer Si3N4, yang berguna juga untuk pembentukan Contact hole secara otomatis (Self-align Contact). SiN menjadi Etching Stopper yang melindungi gate dan secara otomatis gas plasma ‘menggali’ Contact hole ke arah S/D walaupun photoresist patterning pada proses lithograph tidak dikontrol sepersis mungkin (Gambar 5). Single crystalline SiliconAl GateGate dielectricSourceDraina. Generasi pertama LSI dengan Al GateSingle GatePoly-Si GateSingle crystalline SiliconSourceDrainb. Poly-Si Gate Gate dielectricPoly-dielectricSingle crystalline SiliconSourceDrainPoly-SiMoSi2 or WSi2 SiN Spacerc. Polycide Gate Single SiliconPoly-SiCoSi2CoSi2CoSi2d. Salicide Gate SiliconPoly-SiWWNxe. Poly Metal Gate SiliconTiN or Mof. Conventional Metal Gate SiliconTiNAl ,W, etc.Ta2O5g. Damascene Metal Gate
Gambar 3. Perubahan struktur dan material Gate electrode
Single crystalline SiliconAl GateSourceDrainGate dielectrica. Ketidaktepatan posisi GateSingle crystalline SiliconSourceDrainPoly-Si GateGate dielectricSingle crystalline SiliconGate dielectricPoly-Si Gateb. Impuritas doping S/D setelah Gate selesai dibentuk (self-alignment) Single
Gambar 4. Pembentukan S/D secara self alignment memunculkan poly-Si sebagai Gate Single crystalline SiliconSourceDrainPoly-SiContacthole Perlu marginyang besar Single crystalline SiliconSourceDrainPoly-SiSiN SpacerSingle Spacer
Gambar 5. Self-Align Contact dengan panduan Spacer SiN
Seiring dengan miniaturisasi, jumlah impuritas yang didoping (ion dose=atom/cm2) memunculkan persoalan terbentuknya depletion layer pada interlayer Gate/SiO2 yang tidak bisa lagi diabaikan (Gambar 6). Ditambah dengan Channel inversion layer (tempat lalu lintas carrier), total nilai C menjadi turun sehingga mengganggu performance LSI. Untuk itu saat ini banyak diriset pengunaan metal kembali untuk material Gate electrode (Gambar 5f atau 5g).
Selain daya tahan terhadap panas, sifat lain yang diperlukan adalah nilai Work Function dari metal tsb. Work Function adalah nilai energy yang dibutuhkan untuk ekstasi elektron dari level Fermi (nilai tengah antara level conductivity dan valency) ke level vacuum (level dimana electron tidak dipengaruhi lagi oleh inti atom). Besaran ini adalah konstan sesuai dengan jenis metal dan menentukan apakah cocok untuk NMOS, PMOS atau keduanya (Midgap). Tabel 4 menunjukkan tiap jenis metal dan nilai work function-nya.
Material midgap memiliki kelemahan dalam mengontrol short channel effect (efek channel pendek, dimana makin pendek channel maka threshold voltage Vth menjadi kecil dan berfluktuasi sehingga susah dikontrol, yang mengakibatkan terjadinya kebocoran arus). Sedang menggunakan Dual Gate (material yang berbeda untuk NMOS dan PMOS) akan memperumit proses. Hingga saat poly-Si dengan tambahan metal WN dll (poly metal gate) merupakan struktur utama, sedang metal gate masih menunggu hasil riset yang meyakinkan.
7 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com C1 C2 C3 1Ctotal1C11C21C3=++1CtotalCtotal1C1C11C2C21C3C3=++Poly-Si GateSingle crystalline SiliconSourceGate dielectricDrainGate Depletion LayerChannel Inversion LayerPoly-Layer
Gambar 6. Pengaruh Gate depletion layer terhadap performance Hf3.9 eVRuO24.9 eVZr4.05 eVWN5.0 eVAl4.08 eVNi5.15 eVTi4.17 eVIr5.27 eVTa4.19 eVMo2N5.33 eVMo4.2 eVTaN5.41 eVPt5.65 eVTiN4.7 eVW4.52 eVRu4.71 eVMidgap NMOSPMOSDual Gate
Tabel 4. Jenis metal dan nilai Work Function
Source dan Drain (S/D)
Gambar 7 menunjukkan perubahan struktur dan material pada S/D. Pada awalnya untuk mendoping bahan impuritas, digunakan metode difusi, baik dalam bentuk zat padat atau gas (molekul P untuk NMOS dan B untuk PMOS). Kelemahan metode ini adalah tidak bisa mengontrol kedalaman S/D karena difusi ditentukan oleh suhu. Kemudian pada akhir 70-an, metode ion implantasi mulai diterapkan. Bahan impuritasnya adalah As dan P untuk NMOS dan B atau BF2 untuk PMOS.
Selanjutnya pada awal 80-an, untuk mencegah ‘hot electron effect’ (yaitu efek dimana medan listrik pada Drain yang berasal dari tegangan listrik antar Source dan Drain, memberi energi bagi elektron untuk melintasi channel walaupun dalam kondisi off), maka pada bagian S/D yang dekat dengan channel dibentuk lapisan Lightly Doped Drain (LDD). Pada bagian ini ion dose dari impuritas adalah antara Silikon substrate (dose rendah) dan S/D (dose tinggi) sehingga terbentuk semacam lapisan buffer.
8 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Pembentukan S/D dengan metode difusi (impuritas solid atau gas) Impuritas: P(NMOS) dan B(PMOS) SiliconSourceDrainPembentukan SiliconSourceDrainSiliconSDPembentukan S/D dengan metode 　ion implantasi Impuritas: As(NMOS) dan B(PMOS) SiliconSDPembentukan SiliconPembentukan LDD dengan metode ion implantasi Impuritas: P, As, B, BF2 SDLDDSiliconPembentukan SDLDDSiliconSDPembentukan Extension dengan metode ion implantasi energi rendah Impuritas: As, BF2 SiliconSDPembentukan Pembentukan Pocket dengan metode ion implantasi energi rendah Impuritas: As, BF2, In SiliconSDLDDPocketPembentukan SiliconSDLDDPocket
Gambar 7. Perubahan struktur dan material Source dan Drain
Awal 90-an, dengan menurunkan voltase baterai, hot electron effect dapat ditekan. Namun LDD tetap digunakan untuk menekan short channel effect (kebocoran arus karena channel yang makin pendek akibat fluktuasi threshold voltage). Kemudian seiring dengan miniaturisasi, kedalaman S/D dan LDD sendiri makin dangkal dan untuk menekan hambatan listrik agar tetap dibawah 100Ω, impuritas dose yang didoping makin tinggi, maka LDD kemudian disebut juga sebagai Extension (perpanjangan dari S/D).
Namun tuntutan miniaturisasi menyebabkan short channel effect semakin tidak bisa diabaikan. Untuk itu, dikembangkan metode pembentukan Pocket atau Halo implantation, yaitu dengan membuat lapisan dengan ion dose yang sangat tinggi pada ujung LDD yang dekat ke channel.
Kedalaman S/D yang diperlukan agar channel dibawah Gate dapat terbentuk dan agar hambatan listrik dapat ditekan, minimal adalah sekitar 5～20nm (Pada tabel 5 ditampilkan roadmap untuk kedalaman Extension S/D). Tapi bentuk paling ideal adalah dengan kedalaman 0 (nol). Untuk memenuhi tuntutan ini, dikembangkan metode Elevated (atau Raised) Source Drain. Yaitu dengan membentuk lapisan Si epitaxial selective pada bagian S/D. Lebih jauh lagi Gate juga dibentuk dengan cara ini, disebut Raised Gate Source Drain, yang akan digunakan tidak hanya untuk advanced Logic tapi juga untuk rangkaian komunikasi gelombang frekwensi tinggi. Tahun1999200020012002200320042005200820112014Teknologi nod (nm)180130100705035njang Gate (nm)14012010085807565453222edalaman Extension (nm)42～036～030～025～324～020～520～316～611～98～3sistivity (Ω□350～00310～60280～30250～00240～75220～50200～25150～25120～50100～00
PaK
Sheet Re
Tabel 5. Roadmap Extension S/D
9 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Si selective epitaxial growth SiliconIsolation SiO2SDSi SiO2Si SiO2SD
Gambar 8. Raised Gate Source Drain
Silicide
Semakin dangkal S/D mengikuti scaling, maka hambatan listriknya akan semakin tinggi. Jika pada S/D ini metal dihubungkan langsung lewat Contact hole, maka akan didapat contact resistivity (ohmic contact) yang tinggi. Untuk menekan ohmic contact ini, maka permukaan S/D dilapisi metal tipis, membentuk lapisan metal silicide (MSix).
Pada awal 80-an, silicide digunakan pada rangkaian memori pada bagian Word Line (Poly-Si Gate electrode). Material yang digunakan adalah MoSi2. Akhir 80-an, proses ini juga diterapkan pada rangkaian logic frekwensi tinggi, dengan menggunakan material WSi2. Kemudian tahun 90-an, silicide dengan metode Self-align Silicide (Salicide) diterapkan pada S/D dan Gate.
Gambar 9 menunjukkan proses pembentukan silicide. Sederhananya adalah lapisan metal dibentuk secara menyeluruh di permukaan wafer dengan metode Sputtering. Kemudian dengan proses annealing (pemanasan), maka hanya bagian silikon (disini S/D dan Gate) yang bereaksi membentuk metal silicide, sedangkan bagian insulator tidak bereaksi. Selanjutnya dengan menggunakan wet selective etching (etching rate : metal >> silicide), metal yang tidak bereaksi disisihkan. MetalSiliconDeposisi metal dengan metode PVDMetalSiliconSiliconDeposisi PVDSilicidationSilicon1stRapid Thermal Process(RTP) suhu rendah dalam kondisi N2SilicidationSilicon1stRapid N2SiliconSilicideSilicideSilicideWet selective etching dan 2nd(RTP) dengan suhu tinggiSiliconSilicideSilicideSilicideWet tinggi
Gambar 9. Proses flow pembentukan Salicide.
Sekilas proses ini terlihat sangat sederhana. Tapi pada aplikasinya terdapat berbagai persoalan sehingga penerapannya pada produksi massal memakan waktu yang cukup lama. Pada gambar 10 ditunjukkan persoalan yang mungkin timbul pada pembentukan silicide.
10 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
Gambar 10. Tantangan pada proses Salicide
Penggunaan metal silicide berhambatan rendah seperti TiSi2, menjadi mungkin dengan kontrol yang ketat untuk mencegah oksidasi Ti dan TiSi2, penerapan Rapid Thermal Annealing (RTA; yaitu pemanasan dengan suhu tinggi dalam waktu yang sangat singkat, dibawah 1 menit) dan pre-amorphization bagian Silikon (permukaan S/D dan Gate lebih dahulu dirubah menjadi bentuk non kristal).
Untuk mencegah oksidasi, bisa dengan cara membentuk lapisan pelindung seperti TiN dipermukaan metal Ti. Proses RTA disamping mencegah distribusi ulang impuritas dalam S/D dan Gate, juga berperan mencegah oksidasi ini. Dan untuk mendapatkan tipe silicide yang berhambatan listrik rendah (untuk TiSi2, tipe C49 memiliki resistivity 60～70 μΩ・cm dan tipe C54 sebesar 15～20 μΩ・cm), diterapkan proses Silicon pre-amorphization. Dengan proses ini dilaporkan bahwa pada tahap R&D, TiSi2 tipe C54 berhasil dibentuk pada MOS dengan panjang Gate (Lg) <0,1μ tanpa efek penipisan metal.
Tetapi, proses yang rumit dan resiko efek penipisan metal pada TiSi2 mendorong penggunaan Co menggantikan Ti pada teknologi nod 0,18μ. Co memiliki kelebihan dalam bentuk CoSi2 yang stabil (tidak ada tipe hambatan listrik tinggi dan rendah), tidak membentuk gumpalan pada bagian tertentu (agglomeration) yang menimbulkan efek penipisan metal dan tidak juga efek bridging.
Kelemahan Co dibanding Ti adalah gampang teroksidasi. Tidak hanya pada bagian permukaan, tapi juga residu oksigen di permukaan Silikon dapat dengan cepat mengoksidasi Co. Untuk itu dalam beberapa kasus, terlebih dahulu Silikon dilapisi dengan Ti. Begitu juga dengan permukaan Co, juga dilapisi Ti atau TiN (Lihat gambar 11).
Selain itu, reaksi Co dan Si biasanya mengkonsumsi bagian Silikon (Co : Si = 1 : 3,6) lebih banyak sehingga lapisan CoSi2 menjadi ‘terbenam’ didalam Silikon. Ini beresiko merusak S/D sehingga CoSi2 lebih cocok dengan Raised S/D. Untuk S/D konvensional, saat ini sedang dipertimbangkan kemungkinan penggunaan Ni, karena dibanding CoSi2, NiSix tumbuh diatas Si, bukan didalam Silikon (Ni : Si = 1 : 1,8). Adapun kelemahan NiSi adalah tingkat stabilitas thermal yang rendah.
Agglomeration (penumpukan metal pada bagian tertentu) menyebabkan diskontinyuitas lapisan
S/D dan Gate terhubung secara elektris karena difusi metal Sheet resistivity jadi besar karena kerusakan pada morfologi permukaan Efek penipisan metal, Daya tahan terhadap panas Bridging Pengaruh terhadap reliabilitas Gate dielectric Kebocoran arus pada S/D junction
11 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Co single layerCoSiCo layerCoSiTi/Co bilayerCoSiTiTi/bilayerCoSiTiCo/Ti bilayerCoSiTiCo/TiN bilayerCoSiTiNCo/bilayerCoSiTiN
Gambar 11. Stack struktur untuk Co silicide. MoSi2WSi2C54-TiSi2CoSi2NiSiResistivity (μΩ・m)1007010～518～520Titik leleh（℃）870216715371326993Suhu pembentukan（℃）000950750～00550～00Jenis atom difusiSiSiSiCoSi
Tabel 6. Jenis metal silicide dan karakternya.
Channel
Channel adalah bagian Silikon substrate pada MOS transistor yang berada tepat dibawah Gate Dielectric, antara Source dan Drain. Channel terbentuk karena tegangan listrik pada Gate (Vg) yang tertahan oleh Gate dielectric. Pada NMOS, S/D memiliki carrier mayoritas berupa elektron (-), sedang Si-substrate didominasi hole (+). Dengan memberikan tegangan positif pada Vg, maka pada tegangan rendah, hole di bawah Gate dielectric menjauh sehingga terbentuk lapisan tipis dibawah Gate dielectric yang tidak bermuatan. Lapisan ini disebut Depletion Layer, bersifat sebagai insulator.
Tapi jika Vg diperbesar lagi maka pada suatu nilai tertentu (disebut threshold voltage, Vth), maka elektron didalam Si-substrate (yang merupakan minoritas) tertarik ke interlayer Si/(Gate dielectric:SiO2) sehingga terbentuk channel (Inversion Layer) bermuatan negatif dibawah Gate dielectric. Dengan terbentuknya channel ini Source dan Drain menjadi terhubung dan arus listrik mengalir (drain current, Id). Jadi channel terbentuk karena adanya tegangan listrik pada Gate dan akan tertutup seandainya Vg bernilai negatif. Untuk PMOS berlaku sebaliknya. Gambar 12 menunjukkan prinsip kerja NMOS dan pembentukan channel menurut tegangan listrik yang diberikan.
12 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Kondisi awal NMOSSilicon-substrateS+D++++++++++++++++++++++++Silicon-substrateS++D++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Vg+Silicon-substrateS+D++++++++++++++++++++++++Jika Vgpositif, hole merapat membentuk Cumulative Layer dan arus Idtidak mengalir.VDVg+substrateS++D++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++VDSilicon-substrateS+D++++++++++++++++++++++++VgVDJika Vgnegatif dan bernilai kecil, hole menjauh sehingga terjadi kekosongan membentuk Depletion Layer, dan arus Idtidak mengalir.+Silicon-substrateS++D++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Silicon-substrateS+D++++++++++++++++++++++++VgVDJika Vgnegatif dan bernilai tinggi, elektron minoritas tertarik membentuk Inversion Layer (=channel), dan arus Idmengalir.++ substrateS++D++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Gambar 12. Prinsip kerja NMOS
Untuk mendapatkan nilai threshold voltage (Vth) yang diinginkan, channel juga didoping dengan impuritas yang sama dengan Silikon substrate seperti As, P, B, In, dengan metode ion implantasi. Agar mampu mencegah short channel effect, channel doping membutuhkan impuritas dengan dose yang tinggi. Namun jika secara total substrate didoping dengan dose tinggi, maka akan terbentuk capacitor parasit antar S/D dan substrate dan juga daya tahan terhadap tegangan/medan listrik akan turun. Selain itu, pada MOS dengan panjang Gate (Lg) 0,1μ, channel doping telah mencapai nilai 1018/cm3. Ini menyebabkan nilai Vth menjadi tinggi dan mobilitas carrier akan turun karena benturan sesama carrier akan meningkat.
Untuk itu, bentuk ideal dari profil impuritas adalah dose tinggi pada bagian dalam (atau bawah) channel dan dose rendah pada bagian permukaan channel yang dekat dengan Si/SiO2 interlayer. Profil ini disebut distribusi retrograde.
Tapi untuk mendapatkan profil retrograde dengan metode ion implantasi adalah sangat sulit, mengingat profilnya akan membentuk distribusi normal. Untuk itu digunakan metode Silicon selective epitaxial growth untuk channel (gambar 13).
13 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
Pada Si substrate yang memiliki impuritas tinggi, ditumbuhkan Silikon secara selektif dengan ketebalan 40~10nm, dengan impuritas yang sangat rendah, sehingga membentuk profil seperti pada gambar 14. a. Channel ion implantationSiliconIsolation SiO2a. SiO2SiliconIsolation SiO2b. Si selective epitaxial growthSiliconIsolation SiO2c. MOS manufacturingEpitaxial channelSiliconIsolation channel
Gambar 13. Channel dengan lapisan epitaxial. 10e1510e1610e1710e1810e1900.10.20.30.40.5Konsentrasi B (atoms/cm3)Kedalaman dari permukaanSi (μm)Epitaxial layer10e1510e1610e1710e1810e1900.10.20.30.40.5Konsentrasi layer
Gambar 14. Profil impuritas dengan epitaxial channel
Selain itu, dilaporkan juga bahwa dengan membentuk lapisan tipis SiGe (SixGey), channel mengalami ‘strain’, dan meningkatkan mobilitas carrier dalam MOS.
Metal Wiring (interconnect)
Untuk wiring atau interconnect, material yang selama ini terus dipakai adalah metal Al. Ini disebabkan oleh resistivity Al yang cukup rendah, mudah diproses dengan Reactive Ion Etching (RIE, disebut juga dry etching atau plasma etching) dan terbentuknya lapisan oksida (Al2O3) yang stabil dipermukaan Al, yang berfungsi juga melindungi Al didalamnya. Tabel 7 menampilkan jenis logam dan resistivity serta titik didihnya. Titik didih adalah parameter yang menentukan performance metal untuk menentukan lifetime. Juga dapat dilihat bahwa Al memiliki resistivity nomor 4 terkecil setelah Ag, Cu dan Au. AlMgAuCuMo WTiNTaNResistivity (μΩ・m)2.71.62.41.75.65.5～9820～00Titik leleh（℃）609601060109026103390
Tabel 7. Jenis metal pada wiring dan karakternya.
Awal 70-an, Al memunculkan masalah Al spike, dimana Al terdifusi kedalam Silikon. Untuk mencegah ini, kedalam Al dicampurkan 1% Silikon, membentuk Al-Si alloy. Kemudian seiring
14 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
dengan miniaturisasi, densitas arus meningkat dalam wiring yang sangat tipis, menuntut pencampuran Cu (5%) didalam Al-Si, membentuk Al-Si-Cu. Selanjutnya, pada pertengahan 80-an, Ti, TiN dan WN digunakan sebagai barrier metal melindungi S/D dari sentuhan langsung Al. Untuk itu campuran Si tidak diperlukan lagi sehingga bahan wiring kemudian digunakan dalam bentuk Al-Cu alloy.
Adapun jumlah lapisan wiring, pada pertengahan 80-an umumnya digunakan 2 lapis, dan saat ini telah mencapai 5～6 lapis sesuai dengan jumlah transistor dalam LSI chip.
Juga, bagian contact dan via hole kemudian menggunakan material W, dan dengan itu meningkatkan performance interconnect.
Mendekati wilayah 0,1μ, hambatan listrik pada Al mulai memunculkan masalah. Untuk itu penggunaan metal yang lebih rendah resistivitasnya menjadi perlu. Akhir 80-an, penggunaan Cu (Au dan Ag terlalu mahal) mulai diriset oleh berbagai lembaga dan perusahaan. Namun aplikasinya terbentur oleh masalah a.l: 1.Cu selama ini dikenal sebagai bahan yang mengkontaminasi Silikon karena difusinya yang tinggi, 2.susah diolah dengan plasma etching karena reaktantnya berbentuk zat padat, dan 3.tidak memiliki bentuk oksida yang stabil, dimana jika oksida tersebut terkelupas maka bagian bawahnya akan segera teroksidasi.
Akan tetapi, pada tahun 1997 IBM dan Motorola mempelopori penggunaan Cu sebagai material interconnect, yang segera mendorong produsen lain untuk menggunakan bahan yang sama dalam produk LSInya.
15 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com SiliconAl ContactAl Spike (difusi Al ke dalam Si merusak karakter listrik MOS)SiO2SourcePoly-SiSiliconAl SiSiliconAl-SiSiO2SourcePoly-SiSiliconAl-Si-CuSiO2SourcePoly-SiSiliconAl-SiSiliconAl-(Si)-CuSourceTi/TiNSiliconAl-(TiNSiliconAl-CuSourceWSiliconAl-CuSourceWSiliconSourceWCuTaNSiNLocal wiringIntermediate wiringGlobal wiringSiliconSourceWCuTaNSiNSiliconSourceWCuTaNSiNLocal wiring
Gambar 15. Perubahan struktur dan material metal interconnect.
Untuk aplikasi Cu, digunakan metode damascene, yaitu dengan lebih dahulu membentuk wadah pada insulator untuk Cu line berupa trench dan via hole. Setelah wadah terbentuk dengan lithograph dan plasma etching, kemudian barrier metal (Ta, TaN) dideposisi dengan metode sputtering dengan ketebalan sekitar 30nm. Kemudian dengan metode yang sama Cu-seed, yang akan menjadi benih awal kristalisasi Cu, dideposisi. Selanjutnya dengan metode electro plating, Cu dideposisi di seluruh permukaan wafer. Terakhir dengan menggunakan metode Chemical Mechanical Polishing (CMP), Cu diratakan setinggi wadah insulator yang telah disediakan. Bagian penting yang tidak boleh dilupakan adalah deposisi Etching Stopper atau Hard Mask untuk melindungi insulator dibawahnya dari kontaminasi Cu, dengan material insulator SiN, SiC, SiCN, SiO2 dll.
Jika via dan trench diproses secara secara terpisah (mulai dari pembentukan wadah sampai proses Cu sampai CMP), disebut Single Damascene (SD) dan jika via dan trench dibentuk dalam satu siklus (2x lithograph dan etching dan 1x Cu proses sampai CMP) biasa disebut Dual Damascene (DD).
16 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com SiNPhoto resistInsulator (SiO2 atau low-k)a. Setelah via etching dan trench lithographSiNPhoto lithographb. Setelah trench etchingb. etching3. Photoresist strip3. strip 4. Barrier metal (TaN) dan Cu-seed sputteringTaNCu-seed4. seed5. Cu Electro Plating + AnnealingCu5. AnnealingCu6. Setelah Cu-CMP (Chemical Mechanical Polishing)Cu6. Cu
.
Gambar 16. Skema sederhana Dual Damascene proses flow
Gambar 17 menunjukkan beberapa persoalan yang dihadapi oleh proses damascene, terutama setelah CMP, yang dapat diatasi dengan optimalisasi mekanik (kecepatan spin dll), kimia (disebut juga slurry) dan cleaning setelah CMP. Cu< 1μm1～20μm30μmCu< 20μm30μmerosion (thinning)micro scratchkey holeerosion hole
Gambar 17. Tantangan CMP pada proses damascene Cu
Interlayer Dielectric (Insulator antar metal)
Untuk generasi Al wiring, insulator yang digunakan adalah SiO2 dan BPSG (Boron Phosphate doped Silicate Glass). BPSG digunakan untuk menutupi permukaan yang tidak rata setelah Metal1 selesai dibentuk dan SiO2 dideposisi, karena BPSG akan mengalami reflow pada saat annealing. Setelah itu untuk tingkat perataan permukaan yang lebih tinggi, digunakan metode CMP.
Pada generasi Cu, penggunaan SiO2 (nilai konstanta dielectric k=3,9) tidak terlalu membantu peningkatan performance interconnect. Ini mengikuti persamaan delay time τ＝R・C＝{ρ・(l/S)}・
17 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
{ε0・k・(S/d)}, dimana R adalah hambatan listrik metal wiring dan C adalah nilai capacitor interlayer dielectric. Untuk menurunkan nilaiρ, Al diganti dengan Cu, sedang untuk menurunkan nilai C, maka nilai k harus diturunkan dengan menggunakan low-k material (nilai k yang lebih kecil dari SiO2). Ini adalah kebalikan dari penggunaan high-k material pada Gate dielectric atau Capacitor pada DRAM.
Dengan mengintroduksi molekul F kedalam SiO2, maka didapat SiOxFy (FSG : Fluorinated Silicate Glass) dengan nilai k=3,2~4,0. Kemudian dengan memasukkan ikatan Si:C atau Si:CH3 kedalam ikatan Si:O membentuk SiOC (disebut juga Organo Silicate Glass=OSG, atau Carbon Doped Oxide=CDO), bisa didapatkan nilai k sampai 2,7. Sedangkan untuk mendapatkan nilai yang lebih kecil, maka perlu dimasukkan pori-pori udara, yang didapatkan dengan mengurangi densitas molekul insulator. Adapun nilai minimum k adalah 1, yang merupakan nilai udara (atau vacuum), sehingga bentuk akhir dari insulator secara teori adalah airgap atau lapisan udara.
Tabel 8 menunjukkan roadmap insulator yang diterbitkan pada tahun 1999, sesuai dengan nilai k dan tabel 9 menunjukkan jenis insulator menurut molekulnya. Akan tetapi pada kenyataannya, para produsen LSI termasuk Intel didesak untuk kembali pada FSG pada generasi 130nm (tahun 2002). Penyebab utamanya adalah, baik dengan mengintroduksi ikatan Si:C, apalagi dengan mengurangi densitas molekul insulator, maka akan didapat lapisan insulator yang lemah secara mekanik dan kimiawi, sehingga secara total reliabilitas lapisan diragukan. Gambar 18 menunjukkan persoalan yang dihadapi dalam proses integrasi Cu/low-k.
Adapun jenis low-k (merek dagang) yang saat ini banyak diriset dalam proses integrasi adalah tipe CVD a.l : Aurora (k=2,7~2,4) dari perusahaan ASMI, Coral (k=3,0~2.5) dari Novellus System, Black Diamond (k=2,7~2,4) dari Applied Material dan Orion (k=2,2) dari Trikon Tech., semuanya adalah tipe CDO, dan tipe Spin-on a.l : SiLK (k=2,6~2,0) dari Dow Chemical, NanoGlass dan FLARE (k=2,5~2,0) dari Honeywell, LKD (k=2,7~2,2) dari JSR, dan NCS (k=2,25) dari Shokubai Kasei (Catalysts and Chemical Inc.), dll. Dengan metode Spin-on, nilai k yang lebih kecil didapat karena lebih mudah membentuk pori-pori udara dengan metode ini. Tapi dari segi kekuatan mekanik (hardness, modulus, adhesion dll) dan daya tahan kimiawi maka CVD masih mendapat tempat prioritas.
18 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Tahun199920002001200220032004Teknologi nod (nm)180130Panjang Gate (nm)140120100858075Jumlah lapisan metal6～6～77～88Local (Al atau Cu) (nm)500450405365330295Intermediate (Al atau Cu) (nm)640575520465420375Global (Al atau Cu) (nm)1050945850765690620Material insulator antar metalkonstanta permisivity (k-value)3.5～.03.5～.02.7～.52.7～.52.2～.72.2～.7k-value untuk DRAM4.14.14.13.0～.13.0～.13.0～.1FluorinatedSilicate Glass(FSG)Hydrogen SilsesQuioxane(HSQ)OrganoPolymer,InorganicTahun2005200820112014Teknologi nod (nm)100705035Panjang Gate (nm)65453222Jumlah lapisan metal8～99～09～0Local (Al atau Cu) (nm)26518513095Intermediate (Al atau Cu) (nm)340240165115Global (Al atau Cu) (nm)560390275190Material insulator antar metalkonstanta permisivity (k-value)1.6～.21.5< 1.5< 1.5k-value untuk DRAM2.5～.02.5～.02.0～.52.0～.3Xerogel,Fluoro Polymer,Porous SiO2Porous Dielectricsand Air Gap
Tabel 8. ITRS Roadmap terbitan 1999 untuk interlayer dielectric. Low-k materialSilicondioxideFluorinatedSilicateGlassPolyimideHSQDiamond likeCarbonParylene-NRumus kimiaSiO2(SiO2)x(SiO3F2)1-xa)SiO1.5H0.5Cb)Nilai k3.9～.53.2～.03.1～.42.9～.22.7～.42.7Metode deposisiPECVDPECVDSpin onSpin onPECVDCVDLow-k materialBCBFluorinatedPolyimideMSQParylene-FFluorinatedAmorphousCarbonTeflonRumus kimiac)d)SiO1.5(CH3)0.5e)a-C:F(CF2CF2)nNilai k2.6～.72.5～.92.6～.82.4～.52.32.1Metode deposisiSpin onSpin onSpin onCVDPECVDSpin onnCOCOCOCONNnCOCOCOCONNa)CH2CH2nCH2CH2nb)SiOCH3nSiCH3CH3CH3SiOCH3nSiCH3CH3CH3c)
19 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Low-k materialMesoporousSilicaPorous-HSQPorousAero GelPorousPTFEPorous-MSQXerogels(PorousSilica)Rumus kimiaSiO2SiO1.5H0.5SiO2(CF2CF2)nSiO1.5(CH3)0.5SiO2Nilai k221.8～.21.8～.21.7～.21.1～.2Metode deposisiSpin onSpin onSpin onSpin onSpin onSpin onCF2CF2nCF2CF2ne)OOOOxOOOOxCF3OO1-xOOF3CCF3OO1-xOOF3CyOCF3F3CONNyOCF3F3CONN1-yNN1-yNNd)HSQ : Hydrogen SilsesQuioxaneBCB : BenzoCycloButeneMSQ : Methyl SilsesQuioxaneTeflon : PTFE + 2,2 bis-trifluoromethyl 4,5 difluoro-1,3 dioxolePTFE : Poly TetraFluoroEthylene
Tabel 9. Jenis interlayer dielectric dan bentuk molekulnya. CorrosionDishingCu fillVoidsPhotoresist PoisoningUncontrolled trench deepElectromigration : Barrier/Cu interfacePost-CMP delaminationLow-k damage during etch/ashVia etch punch-throughUncontrolled etch bottomEtch profileCorrosionDishingCu profile
Gambar 18. Tantangan dalam proses integrasi Cu/low-k
Capacitor dalam DRAM (Dynamic Random Access Memory)
Tabel 10 menunjukkan trend dalam miniaturisasi DRAM. Untuk menjaga stabilitas muatan listrik dalam DRAM yang bisa rusak oleh radiasi sinar alpha dari ruang angkasa misalnya, dan berbagai noise lainnya, dibutuhkan nilai minimum capacitor sebesar 25 fF (femto = 10-15). Jadi nilai capacitor tidak bisa dikecilkan mengikuti miniaturisasi. Untuk mendapatkan nilai tersebut, maka sesuai dengan persamaan C＝ε0・k・(S/d), diperlukan perluasan permukaan S, penipisan tebal insulator d atau menaikkan nilai k (= material high-k).
Pada 1Mbit DRAM, strukturnya adalah berupa plat datar. Memasuki generasi 4Mbit, struktur rumit 3 dimensi berupa stack (film berlapis) atau trench (wadah atau hole) diperlukan untuk mendapatkan luas permukaan S yang memadai. Dan saat ini, mengintroduksi material high-k pada capacitor telah dipikirkan dan diriset dengan serius, melebihi tingkat prioritas material high-k pada Gate dielectric rangkaian logic.
Kegagalan pembentukan lithograph patterning.
20 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com Tahun1971197519791982198519881991199419971999Kapasitas Memory (bit)1k4k1664k256k1M4M16M64M256MDesign Rule (μ)10853210.80.50.30.18Voltase baterai (V)201212555553.3～.53.3～enis transistorPMOSNMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSCMOSCMOSCMOSTebal Gate dielectric (nm)120100755035252015126Kedalaman S/D Junction (μ)1.50.80.50.350.30.250.20.150.120.1Struktur Cell3TrMaterial Capacitor1Tr 1C Planar Capacitor3Dimensi Capacitor (Stack atau Trench)SiO2NO(Nitride Oxigen)
Tabel 10. Perkembangan DRAM sampai tahun 1999 a) Struktur StackTahun199920022005200820112014Teknologi nod (nm)180130100705035Ukuran Cell (μ2)0.260.10.0440.0180.00750.0031Struktur CapacitorSilinderMISPedestalMIMPedestalMIMPedestalMIMPedestalMIMPedestalMIMMaterial CapacitorTa2O5Ta2O5BSTepi-BST??Nilai k225025070015001500Material Electroda bagian ataspoly-Si TiNTiONMaterial Electroda bagian bawapoly-SiSrRuO3W, Pt, Ru, RuO2, IrO2W, Pt, Ru,RuO2, IrO2 b) Struktur Trench Tahun199920022005200820112014Teknologi nod (nm)180130100705035Aspect Rasio (Deepth/Width)30～040～550～060～0> 70> 70Kedalaman @ 35fF (μ)6～5～5～4～4～5～Material CapacitorNONONOhigh-khigh-khigh-k
Tabel 11. Roadmap DRAM versi 1999 untuk struktur Stack dan Trench
Pergeseran material bergerak ke arah high-k dengan urutan SiO2 → NO (Si3N4-SiO2) → Ta2O5 → STO (Strontium Titanate = SrTiO3) → BST (Barium Strontium Titanate = Ba(x)Sr(1-x)TiO3) → PZT (Lead Zirconate Titanate = Pb{(Zr(x)Ti(1-x) O3).
Untuk struktur stack, biasanya adalah berbentuk silinder. Bentuk ini dapat dipertahankan pada teknologi nod 180nm dengan memakai Ta2O5 yang memiliki nilai k=22. Pada generasi selanjutnya (130nm) maka dengan Ta2O5 bernilai k=50, bentuknya adalah berupa pedestal. Kemudian pada generasi 100nm dibutuhkan nilai k=250, yang bisa didapat dari material BST.
Adapun struktur trench, dengan meningkatkan Aspect Ratio (AR = kedalaman/lebar trench) bisa didapatkan nilai capacitor yang memadai dengan material NO. Akan tetapi, bagaimanapun saat memasuki generasi 70nm nantinya maka material high-k akhirnya memang harus diintroduksi juga.
Film Ta2O5 bisa didapatkan dengan metode CVD, dengan kemampuan step coverage (melapisi 2.5
21 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
bagian bawahnya persis mengikuti bentuk lapisan bawah tsb) yang cukup tinggi. Untuk memisahkan impuritas seperti molekul C dan H yang terdapat dalam CVD chamber, dilakukan annealing dengan suhu sekitar 800. Namun proses annealing ini bisa mengubah bentuk non kristal Ta2O5 menjadi poly kristal, yang dapat memunculkan resiko kebocoran arus. Ini dapat dicegah dengan memasukkan 10-40% Al membentuk Ta1-xAlxO, atau dengan terlebih dahulu mendeposisi lapisan tipis Pt atau Ru dan Ta2O5 ditumbuhkan diatas material ini. Dengan cara ini didapatkan nilai k sebesar 50.
Adapun film BST dapat diannealing dengan suhu yang lebih rendah: 650, dan diharapkan dapat segera menjadi kandidat capacitor setelah Ta2O5.
Masalah penting lainnya adalah material elektroda. Selama ini film Pt banyak dipakai sebagai elektroda bagian atas dan bawah sekaligus. Tetapi pada generasi berikutnya, masalah etching, kontaminasi, efek terhadap barrier metal dll akan muncul ke permukaan. Untuk itu, saat ini banyak diriset material berupa RuO2/Ru dan IrO2/Ir yang diharapkan tidak hanya tahan terhadap efek-efek diatas, tapi juga memperbaiki nilai kebocoran arus pada capacitor. Bit LineWord LineCell PlateTrCapacitorBit PlateTrCapacitorPlanarPlanarSTC1STC1TrenchTrench
Generasi
Struktur
1M
Stack
Trench
4M
③
①
②
22 Kuliah Umum IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com STC2STC2Fin Fin Substrate Plate Cylinder Stack TrenchStack TrenchMulti-Fin Multi-Multi-Cylinder + COB HSG (COB) Buried StrapBuried Straphigh-k Cylinderhigh-CylinderSOI/ Trench (?)SOI/
Struktur
Generasi
②
①
③
16M
64M
③a
②a
①a
③a
②a
①a
1G
256M
Struktur
Generasi
①b
③b
high-k Pedestalhigh-Pedestal
Gambar 19. Perkembangan struktur DRAM
Penutup
Disini telah diterangkan sedikit mengenai perkembangan CMOS, dilihat dari struktur dan material film tipis penyusunnya. Masih banyak lagi yang belum dapat diterangkan disini seperti jenis DRAM dan memori lainnya (Flash Memory, FeRAM, dll).
Juga tulisan ini berdasarkan pada generasi 180nm, sedangkan saat ini telah dirilis produk massal untuk generasi 130nm dan telah diriset berbagai kemungkinan sampai pada generasi 45nm. ITRS pun telah merombak Roadmap 1999 dengan versi terbaru 2002.
Bagian lain yang cukup menarik adalah sampai dimana hukum Moore bisa dipenuhi, baik dengan memodifikasi struktur MOS (Silicon on Insulator (SOI), Dual Gate, Tri Gate, all-Round Gate, Vertical Transistor, dll) atau dengan menggunakan material baru seperti high-k, low-k dielectric, Cu, Au, Ag dll.
Juga menarik untuk memperhatikan bagaimana pusat-pusat LSI berpindah dari satu produsen ke produsen lain, negara ke negara lain. Sebagaimana diketahui bahwa untuk menanggung semua beban LSI mulai dari R&D hingga produksi massal adalah mustahil bagi satu produsen saja. Ini menuntut kerjasama antar produsen, bahkan yang pernah jadi rival sebelumnya, industri dengan negara dan universitas serta lembaga riset lainnya.

Sejarah Komputer
Sejak dahulu kala, proses pengolahan data telah dilakukan oleh manusia. Manusia juga menemukan alat-alat mekanik dan elektronik untuk membantu manusia dalam penghitungan dan pengolahan data supaya bisa mendapatkan hasil lebih cepat. Komputer yang kita temui saat ini adalah suatu evolusi panjang dari penemuan-penemuan manusia sejah dahulu kala berupa alat mekanik maupun elektronik.
Saat ini komputer dan piranti pendukungnya telah masuk dalam setiap aspek kehidupan dan pekerjaan. Komputer yang ada sekarang memiliki kemampuan yang lebih dari sekedar perhitungan matematik biasa. Diantaranya adalah sistem komputer di kassa supermarket yang mampu membaca kode barang belanjaan, sentral telepon yang menangani jutaan panggilan dan komunikasi, jaringan komputer dan internet yang mennghubungkan berbagai tempat di dunia.
Bagaimanapun juga alat pengolah data dari sejak jaman purba sampai saat ini bisa kita golongkan ke dalam 4 golongan besar.
1. Peralatan manual: yaitu peralatan pengolahan data yang sangat sederhana, dan faktor terpenting dalam pemakaian alat adalah menggunakan tenaga tangan manusia
2. Peralatan Mekanik: yaitu peralatan yang sudah berbentuk mekanik yang digerakkan dengan tangan secara manual
3. Peralatan Mekanik Elektronik: Peralatan mekanik yang digerakkan oleh secara otomatis oleh motor elektronik
4. Peralatan Elektronik: Peralatan yang bekerjanya secara elektronik penuh
Tulisan ini akan memberikan gambaran tentang sejarah komputer dari masa ke masa, terutama alat pengolah data pada golongan 2, 3, dan 4. Klasifikasi komputer berdasarkan Generasi juga akan dibahas secara lengkap pada tulisan ini.
Seluruh dokumen di IlmuKomputer.Com dapat digunakan, dimodifikasi dan disebarkan secara bebas untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari IlmuKomputer.Com.
1 Kuliah Pengantar IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
ALAT HITUNG TRADISIONAL dan KALKULATOR MEKANIK
Abacus, yang muncul sekitar 5000 tahun yang lalu di Asia kecil dan masih digunakan di beberapa tempat hingga saat ini, dapat dianggap sebagai awal mula mesin komputasi.
Alat ini memungkinkan penggunanya untuk melakukan perhitungan menggunakan biji-bijian geser yang diatur pada sebuh rak. Para pedagang di masa itu menggunakan abacus untuk menghitung transaksi perdagangan. Seiring dengan munculnya pensil dan kertas, terutama di Eropa, abacus kehilangan popularitasnya.
Setelah hampir 12 abad, muncul penemuan lain dalam hal mesin komputasi. Pada tahun 1642, Blaise Pascal (1623-1662), yang pada waktu itu berumur 18 tahun, menemukan apa yang ia sebut sebagai kalkulator roda numerik (numerical wheel calculator) untuk membantu ayahnya melakukan perhitungan pajak.
Kotak persegi kuningan ini yang dinamakan Pascaline, menggunakan delapan roda putar bergerigi untuk menjumlahkan bilangan hingga delapan digit. Alat ini merupakan alat penghitung bilangan berbasis sepuluh. Kelemahan alat ini adalah hanya terbataas untuk melakukan penjumlahan.
Tahun 1694, seorang matematikawan dan filsuf Jerman, Gottfred Wilhem von Leibniz (1646-1716) memperbaiki Pascaline dengan membuat mesin yang dapat mengalikan. Sama seperti pendahulunya, alat mekanik ini bekerja dengan menggunakan roda-roda gerigi.
Dengan mempelajari catatan dan gambar-gambar yang dibuat oleh Pascal, Leibniz dapat menyempurnakan alatnya. Barulah pada tahun 1820, kalkulator mekanik mulai populer. Charles Xavier Thomas de Colmar menemukan mesin yang dapat melakukan empat fungsi aritmatik dasar. Kalkulator mekanik Colmar, arithometer, mempresentasikan pendekatan yang lebih praktis dalam kalkulasi karena alat tersebut dapat melakukan penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian. Dengan kemampuannya, arithometer banyak dipergunakan hingga masa Perang Dunia I. Bersama-sama dengan Pascal dan Leibniz, Colmar membantu membangun era komputasi mekanikal.
Awal mula komputer yang sebenarnya dibentuk oleh seoarng profesor matematika Inggris, Charles Babbage (1791-1871). Tahun 1812, Babbage memperhatikan kesesuaian alam antara mesin mekanik dan matematika:mesin mekanik sangat baik dalam mengerjakan tugas yang sama berulangkali tanpa kesalahan; sedang matematika membutuhkan repetisi sederhana dari suatu langkah-langkah tertenu. Masalah tersebut kemudain berkembang hingga menempatkan mesin mekanik sebagai alat untuk menjawab kebutuhan mekanik. Usaha Babbage yang pertama untuk menjawab masalah ini muncul pada tahun 1822 ketika ia mengusulkan suatu mesin untuk melakukan perhitungan persamaan differensil. Mesin tersebut dinamakan Mesin Differensial. Dengan menggunakan tenaga uap, mesin tersebut dapat menyimpan program dan dapat melakukan kalkulasi
serta mencetak hasilnya secara otomatis. Setelah bekerja dengan Mesin Differensial selama sepuluh tahun, Babbage tiba-tiba terinspirasi untuk memulai membuat komputer general-purpose yang pertama, yang disebut Analytical Engine. Asisten Babbage, Augusta Ada King (1815-1842) memiliki peran penting dalam pembuatan mesin ini. Ia membantu merevisi rencana, mencari pendanaan dari pemerintah Inggris, dan mengkomunikasikan spesifikasi Anlytical Engine kepada publik. Selain itu, pemahaman Augusta yang baik tentang mesin ini memungkinkannya membuat instruksi untuk dimasukkan ke dlam mesin dan juga membuatnya menjadi programmer wanita yang pertama. Pada tahun 1980, Departemen Pertahanan Amerika Serikat menamakan sebuah bahasa pemrograman dengan nama ADA sebagai penghormatan kepadanya.
Mesin uap Babbage, walaupun tidak pernah selesai dikerjakan, tampak sangat primitif apabila dibandingkan dengan standar masa kini. Bagaimanapun juga, alat tersebut menggambarkan elemen dasar dari sebuah komputer modern dan juga mengungkapkan sebuah konsep penting. Terdiri dari sekitar 50.000 komponen, desain dasar dari Analytical Engine menggunakan kartu-kartu perforasi (berlubang-lubang) yang berisi instruksi operasi bagi mesin tersebut.
Pada 1889, Herman Hollerith (1860-1929) juga menerapkan prinsip kartu perforasi untuk melakukan penghitungan. Tugas pertamanya adalah menemukan cara yang lebih cepat untuk melakukan perhitungan bagi Biro Sensus Amerika Serikat. Sensus sebelumnya yang dilakukan di tahun 1880 membutuhkan waktu tujuh tahun untuk menyelesaikan perhitungan. Dengan berkembangnya populasi, Biro tersebut memperkirakan bahwa dibutuhkan waktu sepuluh tahun untuk menyelesaikan perhitungan sensus.
Hollerith menggunakan kartu perforasi untuk memasukkan data sensus yang kemudian diolah oleh alat tersebut secara mekanik. Sebuah kartu dapat menyimpan hingga 80 variabel. Dengan menggunakan alat tersebut, hasil sensus dapat diselesaikan dalam waktu enam minggu. Selain memiliki keuntungan dalam bidang kecepatan, kartu tersebut berfungsi sebagai media penyimpan data. Tingkat kesalahan perhitungan juga dpat ditekan secara drastis. Hollerith kemudian mengembangkan alat tersebut dan menjualny ke masyarakat luas. Ia mendirikan Tabulating Machine Company pada tahun 1896 yang kemudian menjadi International Business Machine (1924) setelah mengalami beberapa kali merger. Perusahaan lain seperti Remington Rand and Burroghs juga memproduksi alat pembac kartu perforasi untuk usaha bisnis. Kartu perforasi digunakan oleh kalangan bisnis dn pemerintahan untuk permrosesan data hingga tahun 1960.
Pada masa berikutnya, beberapa insinyur membuat p enemuan baru lainnya. Vannevar Bush (1890-1974) membuat sebuah kalkulator untuk menyelesaikan persamaan differensial di tahun 1931. Mesin tersebut dapat menyelesaikan persamaan differensial kompleks yang selama ini dianggap rumit oleh kalangan akademisi. Mesin tersebut sangat besar dan berat karena ratusan gerigi dan poros yang dibutuhkan untuk melakukan perhitungan. Pada tahun 1903, John V. Atanasoff dan Clifford Berry mencoba membuat komputer elektrik yang menerapkan aljabar Boolean pada sirkuit elektrik. Pendekatan ini didasarkan pada hasil kerja George Boole (1815-1864) berupa sistem biner aljabar, yang menyatakan bahwa setiap persamaan matematik dapat dinyatakan sebagai benar atau salah. Dengan mengaplikasikan kondisi benar-salah ke dalam sirkuit listrik dalam bentuk terhubung-terputus, Atanasoff dan Berry membuat komputer elektrik pertama di tahun 1940. Namun proyek mereka terhenti karena kehilangan sumber pendanaan.
KOMPUTER GENERASI PERTAMA
Dengan terjadinya Perang Dunia Kedua, negara-negara yang terlibat dalam perang tersebut berusaha mengembangkan komputer untuk mengeksploit potensi strategis yang dimiliki komputer. Hal ini meningkatkan pendanaan pengembangan komputer serta mempercepat kemajuan teknik komputer. Pada tahun 1941, Konrad Zuse, seorang insinyur Jerman membangun sebuah komputer, Z3, untuk mendesain pesawat terbang dan peluru kendali
Pihak sekutu juga membuat kemajuan lain dalam pengembangan kekuatan komputer. Tahun 1943, pihak Inggris menyelesaikan komputer pemecah kode rahasia yang dinamakan Colossus untuk memecahkan kode-rahasia yang digunakan Jerman. Dampak pembuatan Colossus tidak terlalu mempengaruhi perkembangan industri komputer dikarenakan dua alasan. Pertama, colossus bukan merupakan komputer serbaguna (general-purpose computer), ia hanya didesain untuk memecahkan kode rahasia. Kedua, keberadaan mesin ini dijaga kerahasiaannya hingga satu dekade setelah perang berakhir.
Usaha yang dilakukan oleh pihak Amerika pada saat itu menghasilkan suatu kemajuan lain. Howard H. Aiken (1900-1973), seorang insinyur Harvard yang bekerja dengan IBM, berhasil memproduksi kalkulator elektronik untuk US Navy. Kalkulator tersebut berukuran panjang setengah lapangan bola kaki dan memiliki rentang kabel sepanjang 500 mil. The Harvd-IBM Automatic Sequence Controlled Calculator, atau Mark I, merupakan komputer relai elektronik. Ia menggunakan sinyal elektromagnetik untuk menggerakkan komponen mekanik. Mesin tersebut beropreasi dengan lambat (ia membutuhkan 3-5 detik untuk setiap perhitungan) dan tidak fleksibel (urutan kalkulasi tidak dapat diubah). Kalkulator tersebut dapat melakukan perhitungan aritmatik dasar dan persamaan yang lebih kompleks.
Perkembangan komputer lain pada masa kini adalah Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC), yang dibuat oleh kerjasama antara pemerintah Amerika Serikat dan University of Pennsylvania. Terdiri dari 18.000 tabung vakum, 70.000 resistor, dan 5 juta titik solder, komputer tersebut merupakan mesin yang sangat besar yang mengkonsumsi daya sebesar 160kW.
Komputer ini dirancang oleh John Presper Eckert (1919-1995) dn John W. Mauchly (1907-1980), ENIAC merupakan komputer serbaguna (general purpose computer) yang bekerja 1000 kali lebih cepat dibandingkan Mark I.
Pada pertengahan 1940-an, John von Neumann (1903-1957) bergabung dengan tim University of Pennsylvania dalam usha membangun konsep desin komputer yang hingga 40 tahun mendatang masih dipakai dalam teknik komputer. Von Neumann mendesain Electronic Discrete Variable Automatic Computer(EDVAC) pada tahun 1945 dengan sebuh memori untuk menampung baik program ataupun data. Teknik ini memungkinkan komputer untuk berhenti pada suatu saat dan kemudian melanjutkan pekerjaannya kembali. Kunci utama arsitektur von Neumann adalah unit pemrosesan sentral (CPU), yang memungkinkan seluruh fungsi komputer untuk dikoordinasikan melalui satu sumber tunggal. Tahun 1951, UNIVAC I (Universal Automatic Computer I) yang dibuat oleh Remington Rand, menjadi komputer komersial pertama yang memanfaatkan model arsitektur von Neumann tersebut.
Baik Badan Sensus Amerika Serikat dan General Electric memiliki UNIVAC. Salah satu hasil mengesankan yang dicapai oleh UNIVAC dalah keberhasilannya dalam memprediksi kemenangan Dwilight D. Eisenhower dalam pemilihan presiden tahun 1952.
Komputer Generasi pertama dikarakteristik dengan fakta bahwa instruksi operasi dibuat secara spesifik untuk suatu tugas tertentu. Setiap komputer memiliki program kode-biner yang berbeda yang disebut "bahasa mesin" (machine language). Hal ini menyebabkan komputer sulit untuk diprogram dan membatasi kecepatannya.
Ciri lain komputer generasi pertama adalah penggunaan tube vakum (yang membuat komputer pada masa tersebut berukuran sangat besar) dn silinder magnetik untuk penyimpanan data.
KOMPUTER GENERASI KEDUA
Pada tahun 1948, penemuan transistor sangat mempengaruhi perkembangan komputer. Transistor menggantikan tube vakum di televisi, radio, dan komputer. Akibatnya, ukuran mesin-mesin elektrik berkurang drastis.
Transistor mulai digunakan di dalam komputer mulai pada tahun 1956. Penemuan lain yang berupa pengembangan memori inti-magnetik membantu pengembangan komputer generasi kedua yang lebih kecil, lebih cepat, lebih dapat diandalkan, dan lebih hemat energi dibanding para pendahulunya. Mesin pertama yang memanfaatkan teknologi baru ini adalah superkomputer. IBM membuat superkomputer bernama Stretch, dan Sprery-Rand membuat komputer bernama LARC. Komputer-komputer ini, yang dikembangkan untuk laboratorium energi atom, dapat menangani sejumlah besar data, sebuah kemampuan yang sangat dibutuhkan oleh peneliti atom. Mesin tersebut sangat mahal dan cenderung terlalu kompleks untuk kebutuhan komputasi bisnis, sehingga membatasi kepopulerannya. Hanya ada dua LARC yang pernah dipasang dan digunakan: satu di Lawrence Radiation Labs di Livermore, California, dan yang lainnya di US Navy Research and Development Center di Washington D.C. Komputer generasi kedua menggantikan bahasa mesin dengan bahasa assembly. Bahasa assembly adalah bahasa yang menggunakan singkatan-singakatan untuk menggantikan kode biner.
Pada awal 1960-an, mulai bermunculan komputer generasi kedua yang sukses di bidang bisnis, di universitas, dan di pemerintahan. Komputer-komputer generasi kedua ini merupakan komputer yang sepenuhnya menggunakan transistor. Mereka juga memiliki komponen-komponen yang dapat diasosiasikan dengan komputer pada saat ini: printer, penyimpanan dalam disket, memory, sistem operasi, dan program.
Salah satu contoh penting komputer pada masa ini adalah IBM 1401 yang diterima secaa luas di kalangan industri. Pada tahun 1965, hampir seluruh bisnis-bisnis besar menggunakan komputer generasi kedua untuk memproses informasi keuangan.
Program yang tersimpan di dalam komputer dan bahasa pemrograman yang ada di dalamnya memberikan fleksibilitas kepada komputer. Fleksibilitas ini meningkatkan kinerja dengan harga yang pantas bagi penggunaan bisnis. Dengan konsep ini, komputer dapa tmencetak faktur pembelian konsumen dan kemudian menjalankan desain produk atau menghitung daftar gaji. Beberapa bahasa pemrograman mulai bermunculan pada saat itu. Bahasa pemrograman Common Business-Oriented Language (COBOL) dan Formula Translator (FORTRAN) mulai umum digunakan. Bahasa pemrograman ini menggantikan kode mesin yang rumit dengan kata-kata, kalimat, dan formula matematika yang lebih mudah dipahami oleh manusia. Hal ini memudahkan seseorang untuk memprogram dan mengatur komputer. Berbagai macam karir baru bermunculan (programmer, analyst, dan ahli sistem komputer). Industri piranti lunak juga mulai bermunculan dan berkembang pada masa komputer generasi kedua ini.
KOMPUTER GENERASI KETIGA
Walaupun transistor dalam banyak hal mengungguli tube vakum, namun transistor menghasilkan panas yang cukup besar, yang dapat berpotensi merusak bagian-bagian internal komputer. Batu kuarsa (quartz rock) menghilangkan masalah ini. Jack Kilby, seorang insinyur di Texas Instrument, mengembangkan sirkuit terintegrasi (IC : integrated circuit) di tahun 1958. IC mengkombinasikan tiga komponen elektronik dalam sebuah piringan silikon kecil yang terbuat dari pasir kuarsa. Pada ilmuwan kemudian berhasil memasukkan lebih banyak komponen-komponen ke dalam suatu chip tunggal yang disebut semikonduktor. Hasilnya, komputer menjadi semakin kecil karena komponen-komponen dapat dipadatkan dalam chip. Kemajuan komputer generasi ketiga lainnya adalah penggunaan sistem operasi (operating system) yang memungkinkan mesin untuk menjalankan berbagai program yang berbeda secara serentak dengan sebuah program utama yang memonitor dan mengkoordinasi memori komputer.
KOMPUTER GENERASI KEEMPAT
Setelah IC, tujuan pengembangan menjadi lebih jelas: mengecilkan ukuran sirkuit dan komponen-komponen elektrik. Large Scale Integration (LSI) dapat memuat ratusan komponen dalam sebuah chip. Pada tahun 1980-an, Very Large Scale Integration (VLSI) memuat ribuan komponen dalam sebuah chip tunggal.
Ultra-Large Scale Integration (ULSI) meningkatkan jumlah tersebut menjadi jutaan. Kemampuan untuk memasang sedemikian banyak komponen dalam suatu keping yang berukurang setengah keping uang logam mendorong turunnya harga dan ukuran komputer. Hal tersebut juga meningkatkan daya kerja, efisiensi dan keterandalan komputer. Chip Intel 4004 yang dibuat pada tahun 1971 membawa kemajuan pada IC dengan meletakkan seluruh komponen dari sebuah komputer (central processing unit, memori, dan kendali input/output) dalam sebuah chip yang sangat kecil. Sebelumnya, IC dibuat untuk mengerjakan suatu tugas tertentu yang spesifik. Sekarang, sebuah mikroprosesor dapat diproduksi dan kemudian diprogram untuk memenuhi seluruh kebutuhan yang diinginkan. Tidak lama kemudian, setiap perangkat rumah tangga seperti microwave oven, televisi, dn mobil dengan electronic fuel injection dilengkapi dengan mikroprosesor.
Perkembangan yang demikian memungkinkan orang-orang biasa untuk menggunakan komputer biasa. Komputer tidak lagi menjadi dominasi perusahaan-perusahaan besar atau lembaga pemerintah. Pada pertengahan tahun 1970-an, perakit komputer menawarkan produk komputer mereka ke masyarakat umum. Komputer-komputer ini, yang disebut minikomputer, dijual dengan paket piranti lunak yang mudah digunakan oleh kalangan awam. Piranti lunak yang paling populer pada saat itu adalah program word processing dan spreadsheet. Pada awal 1980-an, video game seperti Atari 2600 menarik perhatian konsumen pada komputer rumahan yang lebih canggih dan dapat diprogram.
Pada tahun 1981, IBM memperkenalkan penggunaan Personal Computer (PC) untuk penggunaan di rumah, kantor, dan sekolah. Jumlah PC yang digunakan melonjak dari 2 juta unit di tahun 1981 menjadi 5,5 juta unit di tahun 1982. Sepuluh tahun kemudian, 65 juta PC digunakan. Komputer melanjutkan evolusinya menuju ukuran yang lebih kecil, dari komputer yang berada di atas meja (desktop computer) menjadi komputer yang dapat dimasukkan ke dalam tas (laptop), atau bahkan komputer yang dapat digenggam (palmtop).
IBM PC bersaing dengan Apple Macintosh dalam memperebutkan pasar komputer. Apple Macintosh menjadi terkenal karena mempopulerkan sistem grafis pada komputernya, sementara saingannya masih menggunakan komputer yang berbasis teks. Macintosh juga mempopulerkan penggunaan piranti mouse.
Pada masa sekarang, kita mengenal perjalanan IBM compatible dengan pemakaian CPU: IBM PC/486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV (Serial dari CPU buatan Intel). Juga kita kenal AMD k6, Athlon, dsb. Ini semua masuk dalam golongan komputer generasi keempat.
Seiring dengan menjamurnya penggunaan komputer di tempat kerja, cara-cara baru untuk menggali potensial terus dikembangkan. Seiring dengan bertambah kuatnya suatu komputer kecil, komputer-komputer tersebut dapat dihubungkan secara bersamaan dalam suatu jaringan untuk saling berbagi memori, piranti lunak, informasi, dan juga untuk dapat saling berkomunikasi satu dengan yang lainnya. Komputer jaringan memungkinkan komputer tunggal untuk membentuk kerjasama elektronik untuk menyelesaikan suatu proses tugas. Dengan menggunakan perkabelan langsung (disebut juga local area network, LAN), atau kabel telepon, jaringan ini dapat berkembang menjadi sangat besar.
KOMPUTER GENERASI KELIMA
Mendefinisikan komputer generasi kelima menjadi cukup sulit karena tahap ini masih sangat muda. Contoh imajinatif komputer generasi kelima adalah komputer fiksi HAL9000 dari novel karya Arthur C. Clarke berjudul 2001:Space Odyssey. HAL menampilkan seluruh fungsi yang diinginkan dari sebuah komputer generasi kelima. Dengan kecerdasan buatan (artificial intelligence), HAL dapat cukup memiliki nalar untuk melakukan percapakan dengan manusia, menggunakan masukan visual, dan belajar dari pengalamannya sendiri.
Walaupun mungkin realisasi HAL9000 masih jauh dari kenyataan, banyak fungsi-fungsi yang dimilikinya sudah terwujud. Beberapa komputer dapat menerima instruksi secara lisan dan mampu meniru nalar manusia. Kemampuan untuk menterjemahkan bahasa asing juga menjadi mungkin. Fasilitas ini tampak sederhan. Namun fasilitas tersebut menjadi jauh lebih rumit dari yang diduga ketika programmer menyadari bahwa pengertia manusia sangat bergantung pada konteks dan pengertian ketimbang sekedar menterjemahkan kata-kata secara langsung.
Banyak kemajuan di bidang desain komputer dan teknologi semkain memungkinkan pembuatan komputer generasi kelima. Dua kemajuan rekayasa yang terutama adalah kemampuan pemrosesan paralel, yang akan menggantikan model non Neumann. Model non Neumann akan digantikan dengan sistem yang mampu mengkoordinasikan banyak CPU untuk bekerja secara serempak. Kemajuan lain adalah teknologi superkonduktor yang memungkinkan aliran elektrik tanpa ada hambatan apapun, yang nantinya dapat mempercepat kecepatan informasi.
Jepang adalah negara yang terkenal dalam sosialisasi jargon dan proyek komputer generasi kelima. Lembaga ICOT (Institute for new Computer Technology) juga dibentuk untuk merealisasikannya. Banyak kabar yang menyatakan bahwa proyek ini telah gagal, namun beberapa informasi lain bahwa keberhasilan proyek komputer generasi kelima ini akan membawa perubahan baru paradigma komputerisasi di dunia. Kita tunggu informasi mana yang lebih valid dan membuahkan hasil.

Perkembangan Hardware

Perkembangan Hardware Komputer
Hampir seluruh aspek kehidupan manusia saat ini tidak dapat dilepaskan dari teknologi, khususnya teknologi komputer. Dapat dilihat bahwa untuk menuliskan suatu dokumen, orang cenderung sudah meninggalkan mesin ketik manual dan sudah digantikan perannya oleh komputer. Kasir di suatu pertokoan besar (supermarket) sudah menggunakan peralatan otomatis berupa komputer yang didisain khusus untuk keperluan itu. Kumpulan lagu-lagu yang sebelumnya hanya dapat didengarkan melalui media kaset atau piringan hitam, saat ini sudah mulai dikemas dalam bentuk compact disk (CD) yang dapat didengarkan dengan menggunakan komputer multimedia. Belum lagi perkembangan teknologi komputer di bidang kesehatan yang maju sangat pesat untuk membantu diagnosa penyakit dan proses penyembuahnnya. Dan masih banyak lagi bidang-bidang kehidupan manusia yang saat ini sudah menggunakan peralatan komputer.

DEFINISI KOMPUTER
Istilah komputer mempunyai arti yang luas dan berbeda bagi setiap orang. Istilah komputer (computer) diambil dari bahasa Latin computare yang berarti menghitung (to compute atau to reckon).
Menurut Blissmer (1985), komputer adalah suatu alat elektronik yang mampu melakukan beberapa tugas, yaitu menerima input, memproses input sesuai dengan instruksi yang diberikan, menyimpan perintah-perintah dan hasil pengolahannya, serta menyediakan output dalam bentuk informasi.
Sedangkan menurut Sanders (1985), komputer adalah sistem elektronik untuk memanipulasi data yang cepat dan tepat serta dirancang dan diorganisasikan supaya secara otomatis menerima dan menyimpan data input, memprosesnya, dan menghasilkan output berdasarkan instruksi-instruksi yang telah tersimpan di dalam memori. Dan masih banyak lagi ahli yang mencoba mendefinisikan secara berbeda tentang komputer. Namun, pada intinya dapat disimpulkan bahwa komputer adalah suatu peralatan elektronik yang dapat menerima input, mengolah input, memberikan informasi, menggunakan suatu program yang tersimpan di memori komputer, dapat menyimpan program dan hasil pengolahan, serta bekerja secara otomatis.
Dari definisi tersebut terdapat tiga istilah penting, yaitu input (data), pengolahan data, dan informasi (output). Pengolahan data dengan menggunakan komputer dikenal dengan nama pengolahan data
Seluruh dokumen di IlmuKomputer.Com dapat digunakan, dimodifikasi dan disebarkan secara bebas untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari IlmuKomputer.Com.
elektronik (PDE) atau elecronic data processing (EDP). Data adalah kumpulan kejadian yang diangkat dari suatu kenyataan (fakta), dapat berupa angka-angka, huruf, simbol-simbol khusus, atau gabungan dari ketiganya. Data masih belum dapat bercerita banyak sehingga perlu diolah lebih lanjut.
Pengolahan data merupakan suatu proses manipulasi dari data ke dalam bentuk yang lebih berguna dan lebih berati, yaitu berupa suatu informasi. Dengan demikian, informasi adalah hasil dari suatu kegiatan pengolahan data yang memberikan bentuk yang lebih bermakna dari suatu fakta. Oleh karena itu, pengolahan data elektronik adalah proses manipulasi dari data ke dalam bentuk yang lebih bermakna berupa suatu informasi dengan menggunakan suatu alat elektronik, yaitu komputer.

SISTEM KOMPUTER
Supaya komputer dapat digunakan untuk mengolah data, maka harus berbentuk suatu sistem yang disebut dengan sistem komputer. Secara umum, sistem terdiri dari elemen-elemen yang saling berhubungan membentuk satu kesatuan untuk melaksanakan suatu tujuan pokok dari sistem tersebut.
Tujuan pokok dari sistem komputer adalah mengolah data untuk menghasilkan informasi sehingga perlu didukung oleh elemen-elemen yang terdiri dari perangkat keras (hardware), perangkat lunak (software), dan brainware. Perangkat keras adalah peralatan komputer itu sendiri, perangkat lunak adalah program yang berisi perintah-perintah untuk melakukan proses tertentu, dan brainware adalah manusia yang terlibat di dalam mengoperasikan serta mengatur sistem komputer.
Ketiga elemen sistem komputer tersebut harus saling berhubungan dan membentuk satu kesatuan. Perangkat keras tanpa perangkat lunak tidak akan berarti apa-apa, hanya berupa benda mati. Kedua perangkat keras dan lunak juga tidak dapat berfungsi jika tidak ada manusia yang mengoperasikannya.
STRUKTUR dan FUNGSI KOMPUTER
Struktur komputer didefinisikan sebagai cara-cara dari tiap komponen saling terkait. Struktur sebuah komputer secara sederhana, dapat digambarkan dalam diagram blok pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1
Sedangkan fungsi komputer didefinisikan sebagai operasi masing-masing komponen sebagai bagian dari struktur. Adapun fungsi dari masing-masing komponen dalam struktur di atas adalah sebagai berikut:
INPUT DEVICE
OUTPUT DEVICE
I/O PORTS
CPU
CU + ALU
Memori
RAM
ROM
DATA BUS
ADDRESS BUS
CONTROL BUS
CONTROL BUS
2 Kuliah Pengantar IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
1. Input Device (Alat Masukan)
Adalah perangkat keras komputer yang berfungsi sebagai alat untuk memasukan data atau perintah ke dalam komputer
2. Output Device (Alat Keluaran)
Adalah perangkat keras komputer yang berfungsi untuk menampilkan keluaran sebagai hasil pengolahan data. Keluaran dapat berupa hard-copy (ke kertas), soft-copy (ke monitor), ataupun berupa suara.
3. I/O Ports
Bagian ini digunakan untuk menerima ataupun mengirim data ke luar sistem. Peralatan input dan output di atas terhubung melalui port ini.
4. CPU (Central Processing Unit)
CPU merupakan otak sistem komputer, dan memiliki dua bagian fungsi operasional, yaitu: ALU (Arithmetical Logical Unit) sebagai pusat pengolah data, dan CU (Control Unit) sebagai pengontrol kerja komputer.
5. Memori
Memori terbagi menjadi dua bagian yaitu memori internal dan memori eksternal. Memori internal berupa RAM (Random Access Memory) yang berfungsi untuk menyimpan program yang kita olah untuk sementara waktu, dan ROM (Read Only Memory) yaitu memori yang haya bisa dibaca dan berguna sebagai penyedia informasi pada saat komputer pertama kali dinyalakan.
6. Data Bus
Adalah jalur-jalur perpindahan data antar modul dalam sistem komputer. Karena pada suatu saat tertentu masing-masing saluran hanya dapat membawa 1 bit data, maka jumlah saluran menentukan jumlah bit yang dapat ditransfer pada suatu saat. Lebar data bus ini menentukan kinerja sistem secara keseluruhan. Sifatnya bidirectional, artinya CPU dapat membaca dan menirma data melalui data bus ini. Data bus biasanya terdiri atas 8, 16, 32, atau 64 jalur paralel.
7. Address Bus
Digunakan untuk menandakan lokasi sumber ataupun tujuan pada proses transfer data. Pada jalur ini, CPU akan mengirimkan alamat memori yang akan ditulis atau dibaca.Address bus biasanya terdiri atas 16, 20, 24, atau 32 jalur paralel.
8. Control Bus
Control Bus digunakan untuk mengontrol penggunaan serta akses ke Data Bus dan Address Bus. Terdiri atas 4 samapai 10 jalur paralel.
INPUT DEVICE
Input device adalah alat yang digunakan untuk menerima input dari luar sistem, dan dapat berupa signal input atau maintenance input. Di dalam sistem komputer, signal input berupa data yang dimasukkan ke dalam sistem komputer, sedangkan maintenance input berupa program yang digunakan untuk mengolah data yang dimasukkan. Dengan demikian, alat input selain digunakan untuk memasukkan data juga untuk memasukkan program.
Beberapa alat input mempunyai fungsi ganda, yaitu disamping sebagai alat input juga berfungsi sebagai alat output sekaligus. Alat yang demikian disebut sebagai terminal. Terminal dapat dihubungkan ke sistem komputer dengan menggunakan kabel langsung atau lewat alat komunikasi.
Terminal dapat digolongkan menjadi non intelligent terminal, smart terminal, dan intelligent terminal. Non intelligent terminal hanya berfungsi sebagai alat memasukkan input dan penampil output, dan tidak bisa diprogram karena tidak mempunyai alat pemroses. Peralatan seperti ini juga disebut sebagai dumb terminal. Smart terminal mempunyai alat pemroses dan memori di dalamnya sehingga input yang terlanjur dimasukkan dapat dikoreksi kembali. Walaupun demikian, terminal jenis ini tidak dapat diprogram oleh pemakai, kecuali oleh pabrik pembuatnya. Sedangkan intelligent terminal dapat diprogram oleh pemakai.
Peralatan yang hanya berfungsi sebagai alat input dapat digolongkan menjadi alat input langsung dan tidak langsung. Alat input langsung yaitu input yang dimasukkan langsung diproses oleh alat pemroses, sedangkan alat input tidak langsung melalui media tertentu sebelum suatu input diproses oleh alat pemroses.
Alat input langsung dapat berupa papan ketik (keyboard), pointing device (misalnya mouse, touch screen, light pen, digitizer graphics tablet), scanner (misalnya magnetic ink character recognition, optical data reader atau optical character recognition reader), sensor (misalnya digitizing camera), voice recognizer (misalnya microphone). Sedangkan alat input tidak langsung misalnya keypunch yang dilakukan melalui media punched card (kartu plong), key-to-tape yang merekam data ke media berbentuk pita (tape) sebelum diproses oleh alat pemroses, dan key-to-disk yang merekam data ke media magnetic disk (misalnya disket atau harddisk) sebelum diproses lebih lanjut.
Penggunaan Keyboard
Penciptaan keyboard komputer di ilhami oleh penciptaan mesin ketik yang dasar rancangannya di buat dan di patenkan oleh Christopher Latham pada tahun 1868 dan banyak dipasarkan pada tahun 1877 oleh Perusahaan Remington.
Keyboard komputer pertama disesuaikan dari kartu pelubang (punch card) dan teknologi pengiriman tulisan jarak jauh (Teletype). Tahun 1946 komputer ENIAC menggunakan pembaca kartu pembuat lubang (punched card reader) sebagai alat input dan output.
Bila mendengar kata "keyboard" maka pikiran kita tidak lepas dari adanya sebuah komputer, karena keyboard merupakan sebuah papan yang terdiri dari tombol-tombol untuk mengetikkan kalimat dan simbol-simbol khusus lainnya pada komputer. Keyboard dalam bahasa Indonesia artinya papan tombol jari atau papan tuts.
Pada keyboard terdapat tombol-tombol huruf (alphabet) A – Z, a – z, angka (numeric) 0 - 9, tombol dan karakter khusus seperti : ` ~ @ # $ % ^ & * ( ) _ - + = < > / , . ? : ; " ‘ \ , tombol fungsi (F1 – F12), serta tombol-tombol khusus lainnya yang jumlah seluruhnya adalah 104 tuts. Sedangkan pada Mesin ketik jumlah tutsnya adalah 52 tuts. Bentuk keyboard umumnya persegi panjang, tetapi saat ini model keyboard sangat variatif.
Dahulu orang banyak yang menggunakan mesin ketik baik yang biasa maupun mesin ketik listrik. Keyboard mempunyai kesamaan bentuk dan fungsi dengan mesin ketik. Perbedaannya terletak pada hasil output atau tampilannya. Bila kita menggunakan mesin ketik, kita tidak dapat menghapus atau membatalkan apa-apa saja yang sudah ketikkan dan setiap satu huruf atau simbol kita ketikkan maka hasilnya langsung kita lihat pada kertas. Tidak demikian dengan keyboard. Apa yang kita ketikkan hasil atau keluarannya dapat kita lihat di layar monitor terlebih dahulu, kemudian kita dapat memodifikasi atau melakukan perubahan-perubahan bentuk tulisan, kesalahan ketikan dan yang
lainnya. Keyboard dihubungkan ke komputer dengan sebuah kabel yang terdapat pada keyboard. Ujung kabel tersebut dimasukkan ke dalam port yang terdapat pada CPU komputer.
Penggunaan Mouse
Pada dasarnya, penunjuk (pointer) yang dikenal dengan sebutan "Mouse" dapat digerakkan kemana saja berdasarkan arah gerakan bola kecil yang terdapat dalam mouse. Jika kita membuka dan mengeluarkan bola kecil yang terdapat di belakang mouse, maka akan terlihat 2 pengendali gerak di dalamnya. Kedua pengendali gerak tersebut dapat bergerak bebas dan mengendalikan pergerakan penunjuk, yang satu searah horisontal (mendatar) dan satu lagi vertikal (atas dan bawah).
Jika kita hanya menggerakkan pengendali horisontal maka penunjuk hanya akan bergerak secara horisontal saja pada layar monitor komputer. Dan sebaliknya jika penunjuk vertikal yang digerakkan, maka penunjuk (pointer) hanya bergerak secara vertikal saja dilayar monitor. Jika keduanya kita gerakkan maka gerakan penunjuk (pointer) akan menjadi diagonal. Jika bola kecil dimasukkan kembali, maka bola itu akan menyentuh dan menggerakkan kedua pengendali gerak tersebut sesuai dengan arah mouse yang kita gerakkan.
Pada sebagian besar mouse terdapat tiga tombol, tetapi umumnya hanya dua tombol yang berfungsi, yaitu tombol paling kiri dan yang paling kanan. Pengaruh dari penekanan tombol atau yang di kenal dengan istilah "Click" ini tergantung pada obyek (daerah) yang kita tunjuk. Komputer akan mengabaikan penekanan tombol (click) bila tidak mengenai area atau obyek yang tidak penting.
Kemudian dalam penggunaan mouse juga kita kenal istilah "Drag" yang artinya menggeser atau menarik. Apabila kita menekan tombol paling kiri tanpa melepaskannya dan sambil menggesernya, salah satu akibatnya obyek tersebut berpindah atau menjadi pindah (tersalin) ke obyek lain dan terdapat kemungkinan lainnya. Kemungkinan-kemungkinan ini tergantung pada jenis program aplikasi apa yang kita jalankan. Mouse terhubung dengan komputer dengan sebuah kabel yang terdapat pada mouse. Ujung kabel tersebut dimasukkan dalam port yang terdapat di CPU komputer.
Penggunaan Scanner
Scanner adalah suatu alat elektronik yang fungsinya mirip dengan mesin fotokopi. Mesin fotocopy hasilnya dapat langsung kamu lihat pada kertas sedangkan scanner hasilnya ditampilkan pada layar monitor komputer dahulu kemudian baru dapat dirubah dan dimodifikasi sehingga tampilan dan hasilnya menjadi bagus yang kemudian dapat disimpan sebagai file text, dokumen dan gambar.
Bentuk dan ukuran scanner bermacam-macam, ada yang besarnya seukuran dengan kertas folio ada juga yang seukuran postcard, bahkan yang terbaru, berbentuk pena yang baru diluncurkan oleh perusahaan WizCom Technologies Inc. Scanner berukuran pena tersebut bisa menyimpan hingga 1.000 halaman teks cetak dan kemudian mentransfernya ke sebuah komputer pribadi (PC). Scanner
berukuran pena tersebut dinamakan Quicklink. Pena scanner itu berukuran panjang enam inci dan beratnya sekitar tiga ons. Scanner tersebut menurut WizCom dapat melakukan pekerjaannya secara acak lebih cepat dari scanner yang berbentuk datar.
Data yang telah diambil dengan scanner itu, bisa dimasukkan secara langsung ke semua aplikasi komputer yang mengenali teks ASCII.
Perbedaan tiap scanner dari berbagai merk terletak pada pemakaian teknologi dan resolusinya. Pemakaian teknologi misalnya penggunaan tombol-tombol digital dan teknik pencahayaan.
Cara kerja Scanner :
Ketika kamu menekan tombol mouse untuk memulai Scanning, yang terjadi adalah :
1. Penekanan tombol mouse dari komputer menggerakkan pengendali kecepatan pada mesin scanner. Mesin yang terletak dalam scanner tersebut mengendalikan proses pengiriman ke unit scanning.
2. Kemudian unit scanning menempatkan proses pengiiman ke tempat atau jalur yang sesuai untuk langsung memulai scanning.
3. Nyala lampu yang terlihat pada Scanner menandakan bahwa kegiatan scanning sudah mulai dilakukan.
4. Setelah nyala lampu sudah tidak ada, berarti proses scan sudah selesai dan hasilnya dapat dilihat pada layar monitor.
5. Apabila hasil atau tampilan teks / gambar ingin dirubah, kita dapat merubahnya dengan menggunakan software-software aplikasi yang ada. Misalnya dengan photoshop, Adobe dan lain- lain. pot scanned.
Ada dua macam perbedaan scanner dalam memeriksa gambar yang berwarna yaitu :
1. Scanner yang hanya bisa satu kali meng-scan warna dan menyimpan semua warna pada saat itu saja.
2. Scanner yang langsung bisa tiga kali digunakan untuk menyimpan beberapa warna. Warna-warna tersebut adalah merah, hijau dan biru.
Scaner yang disebut pertama lebih cepat dibandingkan dengan yang kedua, tetapi menjadi kurang bagus jika digunakan untuk reproduksi warna. Kebanyakan scanner dijalankan pada 1-bit (binary digit / angka biner), 8-bit (256 warna), dan 24 bit (lebih dari 16 juta warna). Nah, bila kita membutuhkan hasil yang sangat baik maka dianjurtkan menggunakan scanner dengan bit yang besar agar resolusi warna lebih banyak dan bagus.
Digital Camera
Salah satu input device yang sedang marak belakangan ini adalah digital camera. Dengan adanya alat ini, kita dapat lebih mudah memasukan data berupa gambar apa saja, dengan ukuran yang relatif cukup besar, ke dalam komputer kita. Digital camera yang beredar di pasaran saat ini ada berbagai macam jenis, mulai dari jenis camera untuk mengambil gambar statis, sampai dengan camera yang dapat merekam gambar dinamis seperti video.
Mic (Microphone)
Kalau camera digunakan untuk memasukkan input berupa gambar (dan suara), maka mic digunakan hanya untuk memasukkan input berupa suara. Penggunaan mic tentu saja memerlukan perangkat keras tambahan untuk menerima input suara tersebut yaitu sound card, dan speaker untuk mendengarkan hasil rekaman suara.
OUTPUT DEVICE
Output yang dihasilkan dari pemroses dapat digolongkan menjadi empat bentuk, yaitu tulisan (huruf, angka, simbol khusus), image (dalam bentuk grafik atau gambar), suara, dan bentuk lain yang dapat dibaca oleh mesin (machine-readable form). Tiga golongan pertama adalah output yang dapat digunakan langsung oleh manusia, sedangkan golongan terakhir biasanya digunakan sebagai input untuk proses selanjutnya dari komputer.
Peralatan output dapat berupa:
Hard-copy device, yaitu alat yang digunakan untuk mencetak tulisan dan image pada media keras seperti kertas atau film.
Soft-copy device, yaitu alat yang digunakan untuk menampilkan tulisan dan image pada media lunak yang berupa sinyal elektronik.
Drive device atau driver, yaitu alat yang digunakan untuk merekam simbol dalam bentuk yang hanya dapat dibaca oleh mesin pada media seperti magnetic disk atau magnetic tape. Alat ini berfungsi ganda, sebagai alat output dan juga sebagai alat input.
Output bentuk pertama sifatnya adalah permanen dan lebih portable (dapat dilepas dari alat outputnya dan dapat dibawa ke mana-mana). Alat yang umum digunakan untuk ini adalah printer, plotter, dan alat microfilm. Sedangkan output bentuk kedua dapat berupa video display, flat panel, dan speaker. Dan alat output bentuk ketiga yang menggunakan media magnetic disk adalah disk drive, dan yang menggunakan media magnetic tape adalah tape drive.
Printer dan Plotter
Printer dan plotter adalah jenis hard-copy device, karena keluaran hasil proses dicetak di atas kertas. Printer memiliki berbagai macam bentuk dan ukuran, serta ketajaman hasil cetak. Ukuran kertas yang dapat digunakan pun beragam.
Tetapi, untuk mencetak di atas kertas dengan ukuran yang sangat besar, digunakanlah plotter.
Monitor
Monitor adalah salah satu jenis soft-copy device, karena keluarannya adalah berupa signal elektronik, dalam hal ini berupa gambar yang tampil di layar monitor. Gambar yang tampil adalah hasil pemrosesan data ataupun informasi masukan. Monitor memiliki berbagai ukuran layar seperti layaknya sebuah televisi. Tiap merek dan ukuran monitor memiliki tingkat resolusi yang berbeda. Resolusi ini lah yang akan menentukan ketajaman gambar yang dapat ditampilkan pada layar monitor. Jenis-jenis monitor saat ini sudah sangat beragam, mulai dari bentuk yang besar dengan layar cembung, sampai dengan bentuk yang tipis dengan layar datar (flat).
Infocus
Infocus hampir sama dengan monitor. Fungsinya adalah untuk menampilkan gambar/visual hasil pemrosesan data. Hanya saja, infocus memerlukan obyek lain sebagai media penerima pancaran singnal-signal gambar yang dipancarkan. Media penerima tersebut sebaiknya memiliki permukaan datar dan berwarna putih (terang). Biasanya yang digunakan adalah dinding putih, whiteboard, ataupun kain/layar putih yang dibentangkan.
CPU (CENTRAL PROCESSING UNIT)
CPU merupakan tempat pemroses instruksi-instruksi program, yang pada komputer mikro disebut dengan micro-processor (pemroses mikro). Pemroses ini berupa chip yang terdiri dari ribuan hingga jutaan IC. Dalam dunia dagang, pemroses ini diberi nama sesuai dengan keinginan pembuatnya dan umumnya ditambah dengan nomor seri, misalnya dikenal pemroses Intel 80486 DX2-400 (buatan Intel dengan seri 80486 DX2-400 yang dikenal dengan komputer 486 DX2), Intel Pentium 100 (dikenal dengan komputer Pentium I), Intel Pentium II-350, Intel Pentium III-450, Intel Celeron 333, AMD K-II, dan sebagainya. Masing-masing produk ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing.
CPU terdiri dari dua bagian utama yaitu unit kendali (control unit) dan unit aritmatika dan logika (ALU). Disamping itu, CPU mempunyai beberapa alat penyimpan yang berukuran kecil yang disebut dengan register.
CU (Control Unit) / Unit Kendali
Unit ini bertugas mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer. Unit kendali akan mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan pada alat output. Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi dari program komputer, membawa data dari alat input ke memori utama, dan mengambil data dari memori utama untuk diolah. Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat output. Dengan demikian tugas dari unit kendali ini adalah:
Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output.
Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama.
Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses.
Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja dari ALU.
Menyimpan hasil proses ke memori utama.
ALU (Arithmatic and Logic Unit)
Tugas utama dari ALU adalah melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan semua operasi aritmatika dengan dasar penjumlahan sehingga sirkuit elektronik yang digunakan disebut adder.
Tugas lain dari ALU adalah melakukan keputusan dari suatu operasi logika sesuai dengan instruksi program. Operasi logika meliputi perbandingan dua operand dengan menggunakan operator logika tertentu, yaitu sama dengan (=), tidak sama dengan (¹ ), kurang dari (<), kurang atau sama dengan (£ ), lebih besar dari (>), dan lebih besar atau sama dengan (³ ).
Register
Register merupakan alat penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses sementara data dan instruksi lainnya yang menunggu giliran untuk diproses masih disimpan di dalam memori utama. Secara analogi, register ini dapat diibaratkan sebagai ingatan di otak bila kita melakukan pengolahan data secara manual, sehingga otak dapat diibaratkan sebagai CPU, yang berisi ingatan-ingatan, satuan kendali yang mengatur seluruh kegiatan tubuh dan mempunyai tempat untuk melakukan perhitungan dan perbandingan logika.
Program yang berisi kumpulan dari instruksi-instruksi dan data diletakkan di memori utama yang diibaratkan sebagai sebuah meja. Kita mengerjakan program tersebut dengan memproses satu per satu instruksi-instruksi yang ada di dalamnya, dimulai dari instruksi yang pertama dan berurutan hingga yang terakhir. Instruksi ini dibaca dan diingat (instruksi yang sedang diproses disimpan di register).
Misalnya instruksi berbunyi HITUNG C = A + B, maka kita membutuhkan data untuk nilai A dan B yang masih ada di meja (tersimpan di memori utama). Data ini dimaca dan masuk ingatan kita (data yang sedang diproses disimpan di register), yaitu misalnya A bernilai 2 dan B bernilai 3. Saat ini ingatan otak kita telah tersimpan suatu instruksi, nilai A, dan nilai B, sehingga nilai C dapat dihitung yaitu sebesar 5 (proses perhitungan ini dilakukan di ALU). Hasil dari perhitungan ini perlu dituliskan kembali ke meja (hasil pengolahan disimpan kembali ke memori utama). Setelah semua selesai, kemungkinan data, program, dan hasilnya disimpan secara permanen untuk keperluan di lain hari sehingga perlu disimpan di dalam lemari kabinet (penyimpanan sekunder).
Dengan demikian, ada tiga macam memori yang dipergunakan di dalam sistem komputer, yaitu:
1. Register, digunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang sedang diproses.
2. Main memory, dipergunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang akan diproses dan hasil pengolahan.
3. Secondary storage, dipergunakan untuk menyimpan program dan data secara permanen.
Ada banyak register yang terdapat pada CPU dan masing-masing sesuai dengan fungsinya. Di bawah ini akan diberikan penjelasan secara garis besar dari masing-masing register:
1. Instruction Register (IR) digunakan untuk menyimpan instruksi yang sedang diproses.
2. Program Counter (PC) adalah register yang digunakan untuk menyimpan alamat lokasi dari memori utama yang berisi instruksi yang sedang diproses. Selama pemrosesan instruksi oleh CPU, isi dari PC diubah menjadi alamat dari memori utama yang berisi instruksi berikutnya yang mendapat giliran akan diproses, sehingga bila pemrosesan sebuah instruksi selesai maka jejak instruksi selanjutnya di memori utama dapat dengan mudah didapatkan.
3. General purpose register, yaitu register yang mempunyai kegunaan umum yang berhubungan dengan data yang sedang diproses. Sebagai contoh, register jenis ini yang digunakan untuk menampung data yang sedang diolah disebut dengan operand register, sedang untuk menampung hasil pengolahan disebut accumulator.
4. Memory data register (MDR) digunakan untuk menampung data atau instruksi hasil pengiriman dari memori utama ke CPU atau menampung data yang akan direkam ke memori utama dari hasil pengolahan oleh CPU.
5. Memory address register (MAR) digunakan untuk menampung alamat data atau instruksi pada memori utama yang akan diambil atau yang akan diletakkan.
Sebagai tambahan dari register, beberapa CPU menggunakan suatu cache memory yang mempunyai kecepatan sangat tinggi dengan tujuan agar kerja dari CPU lebih efisien dan mengurangi waktu yang terbuang. Tanpa cache memory, CPU akan menunggu sampai data atau instruksi diterima dari memori utama, atau menunggu hasil pengolahan selesai dikirim ke memori utama baru proses selanjutnya bisa dilakukan. Padahal proses dari memori utama lebih lambat dibanding kecepatan register sehingga akan banyak waktu terbuang. Dengan adanya cache memory, sejumlah blok informasi pada memori utama dipindahkan ke cache memory dan selanjutnya CPU akan selalu berhubungan dengan cache memory.
Array Processor
Bila sejumlah besar dari perhitungan harus dilakukan, maka untuk mempercepat proses biasanya dipergunakan unit tambahan yang disebut dengan array processor atau co-processor. Unit ini terpisah dari unit lainnya yang dapat ditambahkan pada pemroses utamanya. Dengan perkembangan teknologi sekarang, unit pemroses tambahan ini sudah tidak diperlukan lagi karena pemroses mikro yang ada sudah mampu menangani perhitungan dengan kemampuan dan kecepatan yang sangat tinggi. Teknologi pemroses tambahan ini diperlukan untuk komputer-komputer mikro lama, misalnya yang masih menggunakan pemroses utama seri 8088 hingga 80486.
MEMORI
CPU hanya dapat menyimpan data dan instruksi di register yang berukuran kecil sehingga tidak dapat menyimpan semua informasi yang dibutuhkan untuk keseluruhan proses program. Untuk mengatasi hal ini, maka CPU harus dilengkapi dengan alat penyimpan yang berkapasitas lebih besar yaitu memori utama. Unit ini dapat dibayangkan sebagai sekumpulan kotak-kotak yang masing-masing dapat menyimpan sepenggal informasi baik berupa data maupun instruksi. Tiap-tiap lokasi dari kotak ditunjukkan oleh suatu alamat (address), yaitu berupa nomor yang menunjukkan lokasi tertentu dari kotak memori.
Ukuran memori ditunjukkan oleh satuan byte, misalnya 1 Mb, 4 Mb, 8 Mb, atau bahkan adayang sampai 256 Mb. Pada umumnya 1 byte memori terdiri dari 8 – 32 bit (binary digit), yaitu banyaknya digit biner (0 atau 1) yang mampu disimpan dalam satu kotak memori.
Random Access Memory (RAM)
Semua data dan program yang dimasukkan melalui alat input akan disimpan terlebih dahulu di memori utama, khususnya RAM, yang dapat diakses secara acak (dapat diisi/ditulis, diambil, atau dihapus isinya) oleh pemrogram. Struktur RAM terbagi menjadi empat bagian utama, yaitu:
1. Input storage, digunakan untuk menampung input yang dimasukkan melalui alat input.
2. Program storage, digunakan untuk menyimpan semua instruksi-instruksi program yang akan diakses.
3. Working storage, digunakan untuk menyimpan data yang akan diolah dan hasil pengolahan.
4. Output storage, digunakan untuk menampung hasil akhir dari pengolahan data yang akan ditampilkan ke alat output.
Input yang dimasukkan melalui alat input akan ditampung terlebih dahulu di input storage. Bila input tersebut berupa program maka akan dipindahkan ke program storage, dan bila berbentuk data
maka akan dipindahkan ke working storage. Hasil dari pengolahan juga ditampung terlebih dahulu di working storage dan bila akan ditampilkan ke alat output maka hasil tersebut dipindahkan ke output storage.
Read Only Memory (ROM)
Dari namanya, ROM hanya dapat dibaca sehingga pemrogram tidak bisa mengisi sesuatu ke dalam ROM. ROM sudah diisi oleh pabrik pembuatnya berupa sistem operasi yang terdiri dari program-program pokok yang diperlukan oleh sistem komputer, seperti misalnya program untuk mengatur penampilan karakter di layar, pengisian tombol kunci papan ketik untuk keperluan kontrol tertentu, dan bootstrap program. Program bootstrap diperlukan pada saat pertama kali sistem komputer diaktifkan. Proses mengaktifkan komputer pertama kali ini disebut dengan booting, yang dapat berupa cold booting atau warm booting.
Cold booting merupakan proses mengaktifkan sistem komputer pertama kali untuk mengambil program bootstrap dari keadaan listrik komputer mati (off) menjadi hidup (on). Sedangkan warm booting merupakan proses pengulangan pengambilan program bootstrap pada saat komputer masih hidup dengan cara menekan tiga tombol tombol pada papan ketik sekaligus, yaitu Ctrl, Alt, dan Del. Proses ini biasanya dilakukan bila sistem komputer macet, daripada harus mematikan aliran listrik komputer dan menghidupkannya kembali.
Instruksi-instruksi yang tersimpan di ROM disebut dengan microinstruction atau firmware karena hardware dan software dijadikan satu oleh pabrik pembuatnya. Isi dari ROM ini tidak boleh hilang atau rusak karena bila terjadi demikian, maka sistem komputer tidak akan bisa berfungsi. Oleh karena itu, untuk mencegahnya maka pabrik pembuatnya merancang ROM sedemikian rupa sehingga hanya bisa dibaca, tidak dapat diubah-ubah isinya oleh orang lain. Selain itu, ROM bersifat non volatile supaya isinya tidak hilang bila listrik komputer dimatikan.
Pada kasus yang lain memungkinkan untuk merubah isi ROM, yaitu dengan cara memprogram kembali instruksi-instruksi yang ada di dalamnya. ROM jenis ini berbentuk chip yang ditempatkan pada rumahnya yang mempunyai jendela di atasnya. ROM yang dapat diprogram kembali adalah PROM (Programmable Read Only Memory), yang hanya dapat diprogram satu kali dan selanjutnya tidak dapat diubah kembali. Jenis lain adalah EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) yang dapat dihapus dengan sinar ultraviolet serta dapat diprogram kembali berulang-ulang. Disamping itu, ada juga EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) yang dapat dihapus secara elektronik dan dapat diprogram kembali.
BUS
Hubungan antara CPU dengan memori utama ataupun dengan alat-alat input/output (I/O) dilakukan melalui suatu jalur yang disebut dengan bus. Hubungan antara CPU dengan memori utama melalui jalur bus yang dilekatkan pada MDR, MAR, dan unit kendali dalam CPU. Sedangkan bus yang menghubungkan CPU dengan alat-alat I/O tidak dilekatkan langsung ke alat-alat I/O, tetapi dapat dilakukan melalui suatu alat I/O port atau DMA controller atau I/O channel.
Bus merupakan suatu sirkuit yang merupakan jalur transportasi informasi antara dua atau alat-alat dalam sistem komputer. Bus yang menghubungkan antara CPU dengan memori utama disebut dengan internal bus, sedang yang menghubungkan CPU dengan alat-alat I/O disebut external bus. Di dalam internal bus, hubungan antara CPU dengan memori utama dilakukan melalui data bus yang dihubungkan dengan MDR, dan melalui address bus yang dihubungkan dengan MAR, serta melalui control bus yang dihubungkan dengan control unit.
PEMROSESAN INSTRUKSI
Jika pemrogram menginginkan CPU untuk mengerjakan sesuatu, maka harus ditulis suatu instruksi yang dapat dipahami oleh CPU. Kumpulan dari instruksi inilah yang disebut dengan program.
Program yang akan diproses dan data yang akan diolah oleh CPU harus diletakkan terlebih dahulu di memori utama. Proses ini yang biasa kita lakukan dengan mengetikkan nama program pada prompt DOS, atau meng-klik ikon pada sistem operasi Windows. Instruksi-instruksi yang dapat diproses oleh CPU adalah instruksi-instruksi yang sudah dalam bentuk bahasa mesin.
Tahap pertama dari pemrosesan suatu instruksi oleh CPU disebut dengan instruction fetch, yaitu proses CPU mengambil atau membawa instruksi dari memori utama ke CPU. Tahap selanjutnya (kedua) disebut instruction execute, yaitu proses dari CPU untuk mengerjakan instruksi yang sudah diambil dari memori utama dan sudah berada di IR register.
Waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan tahap pertama disebut waktu instruksi (instruction time), dan waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan tahap kedua disebut waktu eksekusi (execution time). Sedangkan total waktu yang dibutuhkan untuk kedua tahap tersebut dinamakan waktu siklus (cycle time).
Beberapa pabrik komputer mengukur kecepatan CPU berdasarkan lamanya melakukan satu siklus mesin yang diukur dengan satuan megahertz (Mhz), dimana satu Mhz berarti dapat diselesaikan satu juta siklus per detiknya. Suatu pengukur waktu yang disebut dengan clock akan berdetak untuk tiap-tiap siklus yang dilakukan. Misalnya suatu pemroses 16 Mhz berarti clock akan berdetak sebanyak 16 juta kali tiap detiknya.
MEDIA PENYIMPANAN (MEMORI) EKSTERNAL
Memori eksternal adalah perangkat keras untuk melakukan operasi penulisan, pembacaan dan penyimpanan data, di luar komponen utama yang telah disebutkan di atas. Contoh dari memori eksternal adalah floppy disk, harddisk, cd-rom, dvd.
Hampir semua memori eksternal yang banyak dipakai belakangan ini berbentuk disk/piringan sehingga operasi data dilakukan dengan perputaran piringan tersebut. Dari perputaran ini, dikenal satuan rotasi piringan yang disebut RPM (Rotation Per Minute). Makin cepat perputaran, waktu akses pun semakin cepat,namu makin besar juga tekanan terhadap piringan sehingga makin besar panas yang dihasilkan. Untuk media berkapasitas besar dikenal beberapa sitem yang ukuran RPM nya sebagai berikut
3600 RPM Pre-IDE
5200 RPM IDE
5400 RPM IDE/SCSI
7200 RPM IDE/SCSI
10000 RPM SCSI
Setiap memori eksternal memiliki alat baca dan tulis yang disebut head (pada harddisk) dan side (pada floppy). Tiap piringan memiliki dua sisi head/side, yaitu sisi 0 dan sisi 1. Setiap head/side dibagi menjadi lingkaran lingkaran konsentris yang disebut track. Kumpulan track yang sama dari seluruh head yang ada disebut cylinder. Suatu track dibagi lagi menjadi daerah-daerah lebih kecil yang disebut sector.
Floppy Disk
Floppy disk drive yang menjadi standar pemakaian terdiri dari 2 ukuran yaitu 5.25" dan 3.5" yang masing-masing memiliki 2 tipe kapasitas Double Density (DD) dan High Density (HD).
Floppy disk 5.25" kapasitasnya adalah 360 Kbytes (untuk DD) dan 1.2 Mbytes (untuk HD). Sedangkan floppy disk 3.5" kapasitasnya 720 Kbytes (untuk DD) dan ntuk HD). Kapasitas yang dapat ditampung oleh floppy disk memang cenderung kecil, apalagi jika dibandingkan dengan kebutuhan transfer dan penyimpanan data yang makin lama makin besar. Floppy disk hanya dapat menyimpan file teks, karena keterbatasan kapasitas. Walaupun demikian, penulisan pada floppy disk dapat dilakukan berulang-ulang, walaupun memakan waktu yang relatif lama.
Keterbatasa
yang disebut dengan Iomega Zip Drive. Perangkat ini terdiri dari floppy drive dan cartridge floppy khusus, yang mampu menampung samapai hampir 100MB data. Jumlah ini jelas memungkinkan untuk menampung file multimedia dan grafik (biasanya berukuran mega bytes), yang sebelumnya tidak dimungkinkan untuk disimpan dalam floppy disk.
Harddisk m
rangkaian penguat, DSP (digital signal precessor), chip memory, konektor, spindle, dan actuator arm motor controller. arus membongkar CPu
sampai dengan Gbytes. Ukuran kapasitas yang sangat besar ini sangat menguntungkan dalam hal penyimpanan data. Seperti halnya floppy disk dan Iomega Zip drive, harddisk juga dapat menangani penulisan berulang kali dengan kecepatan yang relatif jauh lebih cepat dibandingkan dengan floppy disk. Tapi sayangnya, terdapat kendala dalam segi mobilitas, karena untuk memindah-mindahkan harddisk berarti h(harddisk tersimpan di dalam CPU). Ternyata, kendala ini telah dapat diatasi dengan adanya konsep 1.44 Mbytes (u IP Drive n kapasitas pada floppy disk mendorong lahirnya teknologi baru arddisk emiliki komponen-komponen : piringan logan (platter), head, rangakaian elektronik, apasitas harddisk bermacam-macam, mulai dari ukuran Mbytes U
13 Kuliah Pengantar IlmuKomputer.Com Copyright © 2003 IlmuKomputer.Com
Removable Harddisk. Hardsik dibentuk berupa cartridge, yang dipasang pada removable rack yang terambung pada power supplay dan kabel data IDE Interface-nya.
CD-ROM
Mulai tahun 1983 sistem penyimpanan data di optical disc mulai diperkenalkan dengan diluncurkannya Digital Audio Compact Disc. Sejak saat itu mulai berkembanglah teknologi penyuimpanan pada optical disc.
CD-ROM terbuat dari resin (polycarbonate) dan dilapisi permukaan yang sangat reflektif seperti alumunium. Informasi direkam secara digital sebagai lubang-lubang mikroskopis pada permukaan yang reflektif. Proses ini dilakukan degan menggunakan laser yang berintensitas tinggi. Permukaan yang berlubang ini kemudian dilapisi oleh lapisan bening.
Informasi dibaca dengan menggunakan laser berintensitas rendah yang menyinari lapisan bening tersebut sementara motor memutar disk. Intensitas laser tersebut berubah setelah mengenai lubang-lubang tersebut kemudian terefleksikan dan dideteksi oleh fotosensor yang kemudian dikonversi menjadi data digital.
Penulisan data pada CD-ROM hanya dapat dilakukan sekali saja. Walaupun demikian, optical disk ini memiliki keunggulan dari segi mobilitas. Bentuknyayang kecil dan tipis memudahkannya untuk dibawa-bawa. Kapasitas penyimpanannya pun cukup besar, yaitu 650 Mbytes. Sehingga media ini biasanya digunakan untuk menyimpan data-data sekali tulis saja, seperti installer, file lagu (mp3), ataupun data statik lainnya.
DVD (Digital Versatile Disc)
DVD adalah generasi lanjutan dari teknologi penyimpanan dengan menggunakan media optical disc. DVD memiliki kapastias yang jauh lebih besar daripada CD-ROM biasa, yaitu mencapai 9 Gbytes. Teknologi DVD ini sekarang banyak dimanfaatkan secara luas oleh perusahaan musik dan film besar, sehingga menjadikannya sebagai produk elektronik yang paling diminati dalam kurun waktu 3 tahun sejak diperkenalkan pertama kali.
Perkembangan teknologi DVD-ROM pun lebih cepat dibandingkan CD-ROM. 1x DVD-ROM memungkinkan rata-rata transfer data 1.321 MB/s dengan rata-rata burst transfer 12 MB/s.
DVD drive speed
Data rate
Equivalent CD rate
Actual CD speed
1x
11.08 Mbps (1.32 MB/s)
9x
8x-18x
2x
22.16 Mbps (2.64 MB/s)
18x
20x-24x
4x
44.32 Mbps (5.28 MB/s)
36x
24x-32x
5x
55.40 Mbps (6.60 MB/s)
45x
24x-32x
6x
66.48 Mbps (7.93 MB/s)
54x
24x-32x
8x
88.64 Mbps (10.57 MB/s)
72x
32x-40x
10x
110.80 Mbps (13.21 MB/s)
90x
32x-40x
16x
177.28 Mbps (21.13 MB/s)
144x
32x-40x

Selasa, 22 Juli 2008

Perkembangan Hardware

Belajar Komputer Bersama Putra Gorontalo

Arsip Blog

Mengenai Saya