JSR membayangkan sebuah revolusi dalam manufaktur semikonduktor

Superkomputer awal tersebut dibuat untuk tujuan yang serius: pekerjaan militer rahasia, penelitian akademis, teknik tingkat lanjut, dan banyak lagi. Pada tahun 80-an, komputer dengan kemampuan tersebut harus berjalan di dalam tong berisi cairan pendingin agar prosesornya tidak meleleh. Hari ini, kita dapat membangun komputer yang lebih kuat yang muat di saku Anda.

Para insinyur telah menghabiskan waktu puluhan tahun untuk mengecilkan ukuran komputer, membuat mesin yang lebih ringan dan lebih bertenaga. Hampir semua pencapaian ilmiah dan budaya yang luar biasa dalam setengah abad terakhir sejarah manusia dapat ditelusuri dari kemajuan ini.

Pada tahun 1965, hanya beberapa tahun setelah industri semikonduktor muncul, insinyur dan pebisnis Gordon Moore membuat prediksi. Dia mengatakan bahwa dia memperkirakan jumlah transistor yang dikemas dalam satu chip akan berlipat ganda setiap dua tahun untuk dekade berikutnya.

Ini adalah klaim yang berani, visi masa depan yang sama beraninya dengan yang diungkapkan oleh para perintis komputasi kuantum saat ini. Moore percaya bahwa para insinyur akan berhasil mengeluarkan kelinci dari topi sebanyak lima kali dalam sepuluh tahun. Tetapi dia tidak melangkah lebih jauh dari tahun 1975 - tampak jelas bahwa pada suatu saat keajaibannya akan habis dan segala sesuatunya akan melambat.

Prediksi Moore, yang kemudian dikenal sebagai Hukum Moore, berlaku selama lebih dari satu dekade. Setiap dua atau tiga tahun sejak pertengahan tahun 1960-an, para insinyur telah berhasil menggandakan densitas transistor microchip. Transistor yang selebar serat wol (20 mikrometer) pada akhir tahun 1960-an telah menyusut menjadi skala mikroskopis. Pada tahun 2021, IBM menciptakan chip dengan komponen terkecilnya yang lebarnya hanya dua nanometer — lebih sempit dari untaian DNA manusia.

Untuk menjaga Hukum Moore tetap hidup selama beberapa dekade terakhir, para insinyur mengandalkan trik kimia.

Pada 1980-an, sebuah tim di IBM menemukan metode baru untuk mencetak transistor ke chip. Mereka mencampur molekul seperti tali, bercabang menjadi larutan, dan melukis larutan itu - yang dikenal sebagai photoresist - sebagai lapisan tipis pada permukaan chip kosong.

Setelah larutan mengering, molekul-molekulnya menempel pada permukaan. Kemudian, tim menyinari permukaan tersebut dengan sinar ultraviolet melalui layar berpola. Layar memastikan bahwa hanya sebagian molekul yang terpapar cahaya, sementara yang lainnya dibiarkan dalam bayangan. 

Cabang-cabang pada untaian kimiawi itu bereaksi di bawah cahaya. Apabila bereaksi, mereka mengubah perilaku fotoresis, membuatnya lebih atau kurang lengket. Para peneliti mencuci fotoresis yang terpapar sinar UV dengan air. Molekul-molekul yang tertinggal membentuk pola yang kompleks pada wafer silikon.

Saat ini, pola-pola tersebut bertindak sebagai panduan untuk kabel microchip. Produsen mencetak transistor di atas pola-pola ini, menggunakannya sebagai panduan untuk struktur komputasi yang halus.

"Ketika Anda melihat pola-pola ini di bawah mikroskop, sungguh luar biasa betapa rapinya garis-garis tersebut, dengan tepi yang tajam," kata Jeannette Garcia, Manajer Riset Senior untuk Riset Aplikasi Quantum dan Perangkat Lunak di IBM Quantum.

Ketajaman itu penting - ketidaktepatan apa pun dapat menyebabkan kesalahan dalam proses pembuatan dan microchip yang tidak berguna.

IBM telah bekerja sama dengan mitra seperti JSR untuk menyempurnakan proses ini, merekayasa fotoresis untuk kontrol yang baik atas bentuk pola pada skala nanometer.

"Dengan kimia yang tepat, Anda dapat mencapai ukuran fitur yang sangat kecil, tidak lebih lebar dari polimer fotoresis," kata Garcia. "Begitulah cara kami mencapai komponen selebar dua nanometer. Hal ini mendorong Hukum Moore."

Saat ini, seluruh industri manufaktur microchip bergantung pada proses fotoresis.

 "Kami di JSR bangga menjadi salah satu produsen solusi fotoresis terkemuka di dunia," ujar Hiroaki Tokuhisa, Chief Technology Officer di JSR. "Kami memasok bahan kimia yang mendorong hukum Moore di abad ke-21, dan bekerja sama dengan mitra seperti IBM untuk terus meningkatkan perpustakaan bahan kimia fotoresis kami."

Seperti halnya microchip yang mereka bantu produksi, fotoresis tersebut telah menjadi jauh lebih rumit sejak percobaan awal pada tahun 1980-an. Seiring dengan perkembangan kimiawi untuk mendukung pola yang lebih halus dan lebih peka, berbagai elemen baru telah ditambahkan ke fotoresis untuk mengubahnya menjadi instrumen yang lebih presisi. Sebagai contoh, para peneliti telah memperkenalkan komponen kimia yang dikenal sebagai generator asam foto (PAG) ke dalam larutan.

PAG bertindak sedikit seperti kapal tunda kimia, kata Garcia, mendorong polimer yang lebih besar ke tempatnya. Ketika kondisi tertentu terpenuhi, PAG akan memuntahkan proton yang berinteraksi dengan polimer dalam fotoresit, membuat molekul larut sehingga mereka dapat hanyut. Ketika produsen mengembangkan microchip baru, mereka bekerja dengan JSR untuk menentukan solusi photoresist tepat yang diperlukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan.

Proses ini bisa memakan waktu dan mahal.

"Memang sulit untuk memprediksi, bagaimana fotoresis baru akan berperilaku sampai kami menciptakannya di laboratorium dan mengujinya secara ketat dalam situasi dunia nyata," kata Hiroaki.

Kimia yang terlibat terlalu rumit untuk disimulasikan secara efektif oleh superkomputer yang paling kuat di dunia sekalipun.

“Kami yakin ini akan berubah,” kata Hiroaki. "Bersama dengan mitra lama kami di IBM, kami bereksperimen dengan simulasi kimia pada komputer kuantum. Kami telah menunjukkan bahwa komputer kuantum dapat mensimulasikan molekul kecil yang meniru bagian dari fotoresis."

Dunia nyata berjalan berdasarkan mekanika kuantum, dan komputer kuantum dapat segera menjadi alat terbaik untuk mensimulasikannya. Komputer-komputer ini, yang sekarang menjalani proses penskalaan dan pengembangan cepat mereka sendiri di IBM Quantum, suatu hari nanti dapat memotong masalah kompleks yang bahkan membingungkan superkomputer klasik. 

Dengan bantuan simulasi kimia komputer, JSR bertujuan untuk mengembangkan fotoresis baru dengan lebih cepat dan dengan biaya yang lebih rendah - sebuah keuntungan potensial dalam memperluas Hukum Moore ke masa depan.

IBM dan JSR mengharapkan komputer kuantum menjadi alat yang ampuh untuk simulasi kimia semacam ini begitu mereka mencapai skala dan kekuatan yang diperlukan. JSR bekerja sama dengan IBM Quantum hari ini untuk meletakkan dasar bagi masa depan itu.

"Seiring dengan semakin canggihnya komputer kuantum, kami ingin siap menggunakannya untuk mendukung pekerjaan kami," kata Hiroaki.

Baru-baru ini, tim peneliti gabungan JSR-IBM Quantum berhasil mensimulasikan molekul yang lebih kecil dengan perilaku yang mirip dengan PAG. Hal ini menunjukkan bahwa pada prinsipnya, PAGs dapat disimulasikan dalam skala komputer kuantum.

Semua pekerjaan ini mendorong ke arah masa depan di mana superkomputer yang berpusat pada kuantum memecahkan masalah yang tidak mungkin dipecahkan saat ini, dengan manfaat jangka pendek untuk penelitian kimia. Bagi JSR, hal ini diharapkan dapat menghasilkan chip komputer yang lebih baik dan lebih cepat dengan biaya yang lebih rendah. Bagi mitra lain, hal itu dapat berarti kemajuan dalam penemuan obat atau ilmu material.

Saat ini, IBM Quantum menjadi tuan rumah armada sistem dan perangkat lunak komputasi kuantum paling canggih di dunia untuk mengeksekusi sirkuit kuantum dalam skala besar. Organisasi Anda dapat bermitra dengan IBM Quantum untuk mendorong penelitian dan membangun keterampilan kuantum.

Dengan menggunakan teknologi yang dikembangkan melalui pengembangan bahan polimer, JSR Corporation (tautan berada di luar ibm.com) mengembangkan dan memasok banyak produk terkemuka global termasuk bahan litografi, bahan CMP, bahan proses, dan bahan pengemasan, yang sangat penting untuk produksi chip semikonduktor. Bahan LCD JSR dan bahan layar generasi berikutnya digunakan dalam produksi layar LCD dan OLED.