Imec Pertama Kali Memperlihatkan Rangkaian Superkonduktor dengan Kepadatan 3,8 Juta Sambungan Josephson per Sentimeter Persegi

Imec mengumumkan bahwa mereka telah mencapai rekor dunia dalam kepadatan rangkaian superkonduktor, dengan memampatkan 3,8 juta titik sambungan Josephson ke dalam area seluas satu sentimeter persegi. Pusat penelitian ini juga telah memproduksi kabel superkonduktor dengan lebar hanya 30 nanometer. Imec mendemonstrasikan kedua hasil ini pada Konferensi Aplikasi Superkonduktor 2026 (ASC), yang hasilnya dapat membantu ekspansi teknologi superkonduktor menuju sistem komputasi berkinerja tinggi di masa depan, serta mendukung beban kerja berat yang dijalankan oleh pusat data modern di Amerika.

Bahan dan Desain Rangkaian Baru

Rangkaian baru ini menggunakan niobium-tantalum-nitride (NbTiN), yang dibangun oleh Imec di atas tiga lapisan logam. Diameter terkecil dari titik sambungan Josephson hanya 150 nanometer. Komponen-komponen kecil ini memungkinkan insinyur untuk memasang lebih banyak elemen komputasi dalam ruang yang lebih kecil. Titik sambungan Josephson mirip dengan sakelar elektronik yang sangat cepat, mampu memproses sinyal dengan konsumsi energi yang sangat sedikit. Efisiensi ini membuat rangkaian superkonduktor menarik untuk komputasi berkinerja tinggi. Imec memperkirakan bahwa teknologi ini pada akhirnya dapat mencapai penghematan energi yang signifikan dibandingkan dengan chip CMOS tradisional.

Sistem superkonduktor juga mendukung kepadatan komputasi dan bandwidth yang lebih tinggi. Seiring dengan meningkatnya beban kerja yang ditangani oleh pusat data, keunggulan ini menjadi semakin penting. Pendekatan ini sangat bermanfaat untuk sistem komputasi yang mengonsumsi banyak energi untuk transmisi data. Rangkaian superkonduktor dapat memproses sinyal pada kecepatan yang sangat tinggi, sehingga mengurangi beberapa kerugian.

Keunggulan dan Tantangan Rangkaian Superkonduktor

Imec juga mendemonstrasikan kabel NbTiN tiga lapis, dengan kabel paling sempit hanya selebar 30 nanometer, sekitar 10 kali lebih kecil dari lebar kabel yang digunakan dalam teknologi superkonduktor berbasis niobium tradisional. Kabel yang lebih kecil membantu insinyur untuk memasukkan lebih banyak koneksi dalam ruang yang sama, kabel-kabel ini mentransmisikan sinyal di antara bagian-bagian berbeda dari rangkaian dan juga menghubungkan komponen di antara lapisan-lapisan. Bahan superkonduktor memiliki keunggulan utama lainnya, yaitu mentransmisikan arus dengan hampir tanpa hambatan pada suhu yang sangat rendah, yang berarti energi yang hilang saat sinyal bergerak melalui sistem sangat sedikit, membantu insinyur mengatasi kebutuhan energi yang semakin meningkat dari sistem komputasi besar.

Imec juga dapat menyesuaikan karakteristik listrik dari titik sambungan dan kabelnya, memberikan fleksibilitas yang lebih besar bagi insinyur dalam merancang rangkaian untuk aplikasi yang berbeda. Imec sedang mengembangkan teknologi ini dengan menggunakan proses manufaktur semikonduktor 300 milimeter, yang sama dengan ukuran wafer yang banyak digunakan dalam produksi chip modern, kompatibilitas ini dapat membuat penelitian lebih mudah diintegrasikan dengan metode manufaktur semikonduktor yang ada, serta menyediakan jalur untuk membangun rangkaian superkonduktor yang lebih besar dan lebih kompleks.

Pusat penelitian ini juga sedang melakukan penelitian tentang integrasi 2.5D dan 3D, metode-metode ini memungkinkan komponen yang berbeda untuk bekerja sama dalam sistem yang sangat terintegrasi. Richard Rouse, kepala program superkonduktor digital Imec, mengatakan bahwa program ini menargetkan pabrik wafer, pusat data besar, dan perusahaan sistem. Teknologi ini pada akhirnya mungkin melampaui ranah komputasi berkinerja tinggi dan pusat data, Imec juga melihat potensi aplikasi di bidang komputasi kuantum, fotonika, dan komputasi neuromorfik.

Namun, perangkat keras superkonduktor masih menghadapi tantangan utama, yaitu rangkaian ini biasanya membutuhkan suhu yang sangat rendah untuk mempertahankan keadaan superkonduktif, yang membuat penggelapannya lebih sulit daripada chip tradisional. Menurut Imec, kepadatan 3,8 juta titik sambungan pada tingkat ini adalah yang pertama di dunia, sedangkan demonstrasi kabel selebar 30 nanometer menunjukkan ke arah sistem superkonduktor yang lebih kecil dan lebih kompak.

Potensi Aplikasi dan Tantangan Teknologi Superkonduktor

Teknologi rangkaian superkonduktor Imec menunjukkan potensi besar dalam komputasi berkinerja tinggi dan pusat data, terutama dalam meningkatkan kepadatan dan efisiensi komputasi dalam ruang yang lebih kecil. Keberhasilan teknologi ini tidak hanya membantu memenuhi kebutuhan energi yang semakin meningkat, tetapi juga dapat mendorong perkembangan bidang-bidang baru seperti komputasi kuantum dan fotonika. Namun, ketergantungan rangkaian superkonduktor pada suhu rendah masih menjadi hambatan utama untuk aplikasi luas, yang membuat penggelapannya relatif lebih menantang dibandingkan dengan chip tradisional.