Daftar Isi

 

Ensiklopedia Gate-All-Around (GAA) Transistor: Arsitektur Penerus FinFET di Era Sub-3nm

Perkembangan prosesor modern tidak hanya ditentukan oleh jumlah inti, kecepatan clock, atau ukuran cache. Di balik semakin kecilnya chip terdapat evolusi besar pada struktur transistor, komponen dasar yang memungkinkan perangkat elektronik memproses informasi.

Salah satu arsitektur transistor yang semakin penting pada fabrikasi skala nano adalah Gate-All-Around (GAA). Teknologi ini dikembangkan sebagai penerus FinFET ketika transistor mulai menghadapi keterbatasan fisik pada proses fabrikasi yang semakin kecil.

GAA menawarkan pendekatan berbeda dalam mengendalikan aliran listrik. Jika FinFET membuat gerbang membungkus saluran dari tiga sisi, GAA memungkinkan gerbang mengelilingi saluran secara menyeluruh dari empat sisi.

Perubahan geometri tersebut terlihat sederhana, tetapi memiliki dampak besar terhadap kontrol arus, kebocoran listrik, konsumsi daya, dan kemampuan produsen mempertahankan performa ketika ukuran transistor terus diperkecil.

Apa Itu Gate-All-Around (GAA) Transistor?

Gate-All-Around merupakan arsitektur transistor efek medan atau Field-Effect Transistor (FET) yang dirancang agar gerbang transistor mengelilingi saluran konduktif dari seluruh sisi.

Pada transistor, gate berfungsi mengendalikan apakah arus listrik dapat mengalir melalui channel antara source dan drain. Semakin baik gate mengontrol channel, semakin mudah transistor berpindah antara kondisi hidup dan mati secara efisien.

Teknologi sebelumnya, FinFET, menggunakan struktur sirip atau fin vertikal. Gate membungkus tiga sisi fin tersebut sehingga kontrol terhadap channel menjadi lebih baik dibandingkan transistor planar tradisional.

Namun, ketika ukuran transistor terus diperkecil menuju node 4nm dan di bawahnya, kontrol elektrostatik FinFET mulai menghadapi tantangan. Di sinilah GAA menawarkan pendekatan baru.

Pada GAA, channel dibuat dalam bentuk struktur horizontal yang kemudian dikelilingi material gate. Dengan demikian, gate dapat memberikan kontrol terhadap channel dari empat sisi.

Konsep tersebut menjadi salah satu fondasi penting bagi pengembangan transistor pada generasi fabrikasi skala nano terbaru.

Struktur Fisik GAA: Gate Mengelilingi Channel

Perbedaan paling mendasar antara FinFET dan GAA terletak pada bagaimana gate berinteraksi dengan channel.

Pada FinFET, channel berbentuk sirip vertikal dan gate membungkus tiga sisinya. Sisi bawah channel masih memiliki keterbatasan dalam hal kontrol elektrostatik.

Sementara itu, pada GAA, channel dibuat seperti struktur yang melayang di atas substrat. Gate kemudian mengelilingi channel tersebut dari seluruh sisi.

Secara sederhana, jika FinFET dapat dibayangkan seperti sebuah pagar yang mengapit tiga sisi jalan, GAA lebih mirip terowongan yang mengelilingi jalan tersebut. Gate memiliki kontrol yang lebih menyeluruh terhadap channel.

Struktur ini dapat dibuat menggunakan beberapa pendekatan, tetapi dua bentuk yang paling dikenal adalah nanowire dan nanosheet.

Nanowire

Nanowire menggunakan channel berbentuk kawat nano dengan diameter sangat kecil. Karena bentuknya relatif silindris, material gate dapat mengelilinginya dari berbagai arah.

Keuntungan pendekatan ini adalah kontrol elektrostatik yang sangat baik. Namun, luas penampang channel yang kecil dapat membatasi jumlah arus yang mampu dialirkan.

Nanosheet atau Nanoribbon

Nanosheet menggunakan channel berbentuk lembaran atau pita horizontal. Beberapa nanosheet dapat ditumpuk secara vertikal sehingga transistor tetap memiliki kemampuan mengalirkan arus tinggi tanpa membutuhkan area permukaan yang terlalu besar.

Pendekatan nanosheet menjadi sangat menarik untuk produksi komersial karena lebar channel dapat disesuaikan.

Contohnya, Samsung Semiconductor mengembangkan pendekatan Multi-Bridge Channel FET (MBCFET), sedangkan Intel menggunakan istilah RibbonFET untuk arsitektur GAA mereka.

Keduanya menggunakan prinsip dasar yang sama, yaitu mengoptimalkan kontrol gate terhadap channel dengan struktur channel yang dikelilingi dari berbagai sisi.

Baca juga : iPhone 18 Pro Max Terisi 100 Persen Hanya dalam 55 Menit, Seberapa Cepat?

Mengapa GAA Dibutuhkan pada Node Sub-3nm?

Semakin kecil transistor, semakin sulit mempertahankan kontrol terhadap aliran elektron.

Salah satu masalah utama yang muncul adalah short-channel effects. Ketika panjang channel semakin pendek, pengaruh source dan drain terhadap channel menjadi semakin besar. Akibatnya, gate semakin sulit mengendalikan transistor secara ideal.

Masalah lain adalah leakage current atau arus bocor. Dalam kondisi transistor seharusnya mati, sebagian kecil arus masih dapat mengalir.

Pada skala nano yang sangat kecil, fenomena kuantum seperti tunneling juga semakin relevan. Elektron dapat melewati penghalang energi yang secara klasik seharusnya mencegahnya mengalir.

Jika kebocoran semakin besar, konsumsi daya meningkat meskipun transistor tidak sedang digunakan untuk melakukan switching secara aktif.

Karena itu, produsen membutuhkan struktur yang mampu memberikan kontrol elektrostatik lebih kuat tanpa harus menghentikan proses penyusutan transistor.

Bagaimana GAA Mengurangi Kebocoran Arus?

Keunggulan utama GAA berada pada kemampuan gate mengendalikan channel dari empat sisi.

Pada FinFET, gate mengontrol tiga sisi channel. Pada GAA, channel dikelilingi gate secara menyeluruh. Hal ini meningkatkan kopling elektrostatik antara gate dan channel.

Dengan kontrol yang lebih kuat, transistor dapat lebih mudah berada dalam kondisi benar-benar mati ketika tegangan gate tidak diberikan.

Ini membantu mengurangi efek yang muncul ketika ukuran channel semakin kecil. Gate memiliki kemampuan lebih baik untuk menentukan apakah elektron boleh mengalir atau tidak.

Perbaikan tersebut juga membantu produsen melakukan scaling terhadap panjang gate. Transistor dapat dibuat lebih kecil tanpa langsung kehilangan kemampuan untuk mengendalikan arus secara efektif.

Namun, GAA bukan berarti seluruh masalah leakage hilang. Pada ukuran transistor ekstrem, fenomena kuantum, material, desain source dan drain, serta karakteristik proses fabrikasi tetap menjadi tantangan.

GAA lebih tepat disebut sebagai salah satu teknologi penting untuk menjaga kontrol transistor ketika skala fabrikasi terus diperkecil.

Peran Deposisi Atom dalam Fabrikasi GAA

Pembuatan GAA membutuhkan proses manufaktur yang sangat presisi karena struktur channel memiliki ukuran yang amat kecil.

Salah satu teknologi yang berperan adalah teknik deposisi material secara sangat terkontrol hingga tingkat atom. Proses tersebut diperlukan untuk membentuk dan memproses lapisan channel serta material gate dengan presisi tinggi.

Selain meningkatkan kontrol terhadap struktur transistor, proses manufaktur tersebut juga dapat membantu mengurangi berbagai sumber resistansi parasitik pada area source dan drain.

Resistansi parasitik dapat menghambat aliran listrik dan menyebabkan sebagian energi hilang. Pada transistor berukuran sangat kecil, masalah seperti ini menjadi semakin penting karena setiap bagian perangkat memberikan pengaruh terhadap performa keseluruhan.

Dengan mengendalikan struktur material secara lebih presisi, produsen dapat menjaga integritas sinyal sekaligus mempertahankan performa transistor dalam ukuran yang semakin kecil.

GAA Membantu Menekan Konsumsi Daya

Selain persoalan kebocoran, alasan lain GAA dikembangkan adalah efisiensi daya.

Kontrol gate yang lebih baik memungkinkan transistor beroperasi dengan karakteristik tegangan yang lebih efisien. Ketika tegangan operasi dapat diturunkan, konsumsi daya dinamis juga dapat berkurang.

Hal ini sangat penting untuk perangkat modern karena jumlah transistor dalam satu chip terus meningkat.

Semakin banyak transistor berarti semakin besar potensi konsumsi energi. Tanpa peningkatan efisiensi, peningkatan kepadatan transistor justru dapat menghasilkan chip yang lebih panas dan membutuhkan sistem pendinginan lebih besar.

Dengan GAA, produsen dapat mengejar kombinasi antara transistor yang lebih kecil, performa lebih tinggi, dan konsumsi daya yang lebih rendah.

Manfaat ini menjadi sangat relevan pada perangkat seperti prosesor smartphone, CPU, GPU, serta akselerator AI dan sistem komputasi performa tinggi.

Nanosheet Membawa Fleksibilitas Desain

Salah satu kelebihan menarik dari GAA berbasis nanosheet adalah fleksibilitas dalam menentukan lebar channel.

Lebar nanosheet dapat disesuaikan dengan kebutuhan desain. Channel yang lebih lebar dapat menghasilkan kemampuan drive current yang lebih tinggi.

Artinya, bagian chip yang membutuhkan performa besar dapat menggunakan konfigurasi channel yang lebih agresif.

Sebaliknya, bagian yang tidak membutuhkan performa maksimal dapat menggunakan channel yang lebih sempit untuk membantu mengurangi konsumsi daya.

Fleksibilitas seperti ini membuat GAA tidak hanya menjadi solusi untuk mengecilkan transistor, tetapi juga memberikan ruang lebih besar bagi desainer chip untuk menyeimbangkan performa dan efisiensi.

Performa Tinggi dengan Konsumsi Daya Lebih Rendah

Berdasarkan informasi yang diberikan, teknologi GAA dibandingkan FinFET dapat memberikan peningkatan performa hingga sekitar 30 persen pada tingkat konsumsi daya yang sama.

Dalam skenario berbeda, GAA juga disebut mampu mengurangi konsumsi daya hingga sekitar 50 persen ketika mempertahankan tingkat performa yang setara.

Angka tersebut menggambarkan salah satu alasan mengapa GAA menjadi teknologi penting untuk generasi chip terbaru.

Meski begitu, angka performa dan efisiensi tidak hanya ditentukan oleh arsitektur transistor. Desain chip, proses fabrikasi, arsitektur CPU atau GPU, frekuensi operasi, sistem pendinginan, serta optimasi perangkat lunak juga berpengaruh.

Karena itu, manfaat GAA pada produk akhir dapat berbeda tergantung implementasi masing-masing produsen.

GAA dan Masa Depan Prosesor

Peralihan dari FinFET menuju GAA menunjukkan bahwa perkembangan chip modern tidak sekadar soal mengecilkan angka nanometer.

Ketika ukuran transistor semakin kecil, tantangan fisika justru semakin kompleks. Kebocoran arus, short-channel effects, resistansi, panas, dan konsumsi daya menjadi masalah yang harus diselesaikan secara bersamaan.

GAA menawarkan salah satu solusi melalui perubahan mendasar pada geometri transistor. Dengan mengelilingi channel dari empat sisi, gate memperoleh kontrol elektrostatik yang lebih kuat.

Sementara itu, penggunaan nanosheet memungkinkan produsen menyesuaikan lebar channel untuk mendapatkan keseimbangan antara performa dan efisiensi.

Pada akhirnya, GAA menjadi bagian penting dari upaya industri semikonduktor untuk terus meningkatkan kepadatan transistor dan mempertahankan perkembangan performa chip.

Bagi pengguna biasa, istilah GAA mungkin terdengar sangat teknis. Namun, teknologi ini pada akhirnya berkaitan langsung dengan hal-hal yang mudah dirasakan, seperti performa perangkat, konsumsi baterai, panas yang dihasilkan, dan kemampuan menjalankan beban komputasi berat.

Semakin berkembang teknologi GAA, semakin besar pula peluang hadirnya chip yang mampu menawarkan performa tinggi tanpa harus mengorbankan efisiensi daya secara berlebihan.