Kabel dalam chip: mengerikan kah? (1)

Suka ngikutin perkembangan prosesor gak? Bagi yang sudah mengenal komputer sejak kecil mungkin ingat dulu komputer IBM XT bekerja dgn kecepatan sekitar beberapa MHz. Terus di awal 90-an ada komputer IBM AT 486 yang kalo gak salah ingat bekerja sampai 66 MHz. Abis tu perkembangannya gila-gilaan kan ya? Ada Pentium 150MHz, terus ada Pentium II 350MHz, lalu ada Pentium III mulai dari 450MHz sampai 650MHz? Maaf agak lupa. Sekarang jamannya Pentium IV, yang mencapai 1.4GHz mungkin, tolong dibenerin kalo salah.

Kalo dilihat polanya, kecepatan prosesor akan berlipat ganda di setiap pergantian generasi, iya kan? Kog bisa gini ya? Ceritanya begini.

Prosesor, atau chip, itu tersusun atas jutaan transistor. Bayangkan aja sebuah permainan Lego, transistor adalah 'building block' dari sebuah chip. Nah, transistor paling populer jaman dulu (yg sekitar akhir 80-an tapi) dengan transistor jaman sekarang tu tetep sama: MOS transistor. Yang membedakan adalah ukurannya! Beberapa tahun lalu, dimensi terkecil dari gate transistor MOS adalah 0.35 mikrometer. Abis tu 0.25 mikrometer jadi populer. Di tahun 2003-an kalo gak salah 0.18 mikron jadi yang populer sampai sekarang. Pentium IV terbaru ukuran terkecil nya adalah 0.09 mikron, alias 90 nanometer!

Terus kenapa dengan mengecilkan transistor, kecepatannya bisa jadi tambah cepat? Dengan ukuran lebih kecil, kapasitansi nya akan jauh mengecil. Kapasitansi ini lah yang membatasi kecepatan 'switching' transistor.

Oke, sekarang semua orang senang, transistor bisa dikecilkan, prosesor bisa jadi cepet banget. Tapi, sampai kapan kita bisa menikmati hal ini? Jangan lupa, di dalam chip itu selain ada transistor, ada juga kawat! Atau kabel, atau bus, atau wire, atau interconnect, terserah mau dikasih nama apa. Yang jelas, kita butuh sebuah 'konduktor' untuk menghubungkan satu titik ke titik lain di chip. Dan yang namanya kabel tu biasanya panjang. Walopun transistor bisa dikecilin, pasti kita akan butuh kabel yang relatif panjang di dalam chip.

Loh, kenapa chipnya gak ikut dikecilin aja kalo gitu?

Hmm.. yg terjadi sekarang ukuran chip itu malah dibikin tambah besar! Ga seberapa si dibandingkan jaman dulu, tapi begitulah.. chip dibikin tambah besar (paling besar yg 'state-of-the-art' mungkin sampai 4mm persegi) supaya muat lebih banyak transistor, supaya chipnya bisa lebih banyak kemampuannya. Ini udah nyerempet masalah ekonomi bisnis hihi..

Nah dengan ukuran transistor dikecilkan, kecepatan chip digeber tambah cepet, dan panjang kabel dalam chip gak berkurang (malah tambah kompleks dan kalo dijumlah bisa tambah panjang), maka bisa diduga kalo: kabel dalam chip ini lah yang akan menghambat laju perkembangan teknologi chip. Kabel tu gak bisa sembarangan dikasih data yang cepet gitu, coz kemampuan kabel gede gak ngikuti kemampuan transistor kecil yang cepet tadi.

Di tahun 1997, Semiconductor Industry Association ngeluarkan dokumen berisi prakiraan perkembangan teknologi beberapa tahun mendatang dari saat itu. Gambar 1 adalah copy-paste dari dokumen itu, di mana ditunjukkan bahwa di masa mendatang, kabel akan jadi masalah besar, meskipun bahan utk membuat kabel itu diganti dari Aluminum yang lebih pelan ke tembaga yang lebih cepat.

Gambar 1. Masa depan kabel dalam chip. (SIA Roadmap 1997)

Gambar kedua ini memperlihatkan betapa susahnya punya kabel panjang di dalam chip. Laju kenaikan 'delay' nya (delay adalah lama waktu yang diperlukan oleh sinyal untuk merambat melalui gerbang logika atau kawat tadi) adalah eksponensial terhadap pertambahan panjang kabel.

Gambar 2. Makin panjang kabel, delay akan naik secara eksponensial

Untuk mengatasi masalah ini, dulu orang selalu menggunakan repeater. Repeater bisa bikin delaynya gak parah2 amat. Tapi dengan kompleksitas chip jaman sekarang, jumlah repeater yang diperlukan jadi banyak sekali dan ini gak mungkin lah diteruskan kalau begini caranya. Ada yang punya saran gak?

Dan jangan lupa, ada satu hal lagi yang mengerikan soal ini. Yaitu masalah konsumsi daya. Makin panjang kabel, makin banyak sekali konsumsi daya nya, sampai berlipat-lipat. (lihat gambar 4)

Gambar 3. Makin panjang kabel, tenaga yang dibutuhkan naik juga

Semoga aja ya para peneliti dan insinyur2 yang bekerja di bidang ini bisa menangani masalah ini. Ada juga si riset mengenai optical interconnect, yaitu menggantikan kabel dalam chip dengan semacam serat optis kayak di bidang telekomunikasi. Tapi sampai sekarang, hal ini masih jauh dari tahap produksi. Masih diteliti. (bersambung)

[foto di awal diambil dari http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_5/backbone/r5_1_3.html, menggambarkan lapisan2 logam teknologi chipnya IBM]