Sensor piksel aktif (APS) adalah sensor gambar, yang ditemukan oleh Peter J.W. Noble pada tahun 1968, di mana setiap sel unit sensor piksel memiliki fotodetektor (biasanya fotodioda yang disematkan) dan satu atau beberapa transistor aktif. Dalam sensor piksel aktif metal-oksida-semikonduktor (MOS), transistor efek medan MOS (MOSFET) digunakan sebagai penguat. Ada berbagai jenis APS, termasuk APS NMOS awal dan APS MOS pelengkap (CMOS) yang sekarang jauh lebih umum, juga dikenal sebagai sensor CMOS. Sensor CMOS digunakan dalam teknologi kamera digital seperti kamera ponsel, kamera web, sebagian besar kamera saku digital modern, sebagian besar kamera refleks lensa tunggal digital (DSLR), kamera lensa yang dapat dipertukarkan (MILC), dan pencitraan tanpa lensa untuk sel.

Sensor CMOS muncul sebagai alternatif untuk sensor gambar charge-coupled device (CCD) dan pada akhirnya menjualnya pada pertengahan tahun 2000-an.

Istilah sensor piksel aktif juga digunakan untuk merujuk ke sensor piksel individual itu sendiri, dan bukan sensor gambar. Dalam hal ini, sensor gambar kadang-kadang disebut pencitra sensor piksel aktif, atau sensor gambar piksel aktif.

Sejarah

Latar belakang

Ketika meneliti teknologi metal-oxide-semiconductor (MOS), Willard Boyle dan George E. Smith menyadari bahwa muatan listrik dapat disimpan pada kapasitor MOS yang kecil, yang menjadi blok bangunan dasar perangkat charge-couple (CCD), yang mereka temukan pada tahun 1969. Masalah dengan teknologi CCD adalah kebutuhannya untuk transfer muatan yang hampir sempurna dalam pembacaan, yang, "membuat radiasi [toleransi?] 'lunak', sulit digunakan dalam kondisi cahaya rendah, sulit dibuat dalam ukuran array besar, sulit diintegrasikan dengan elektronik on-chip, sulit digunakan pada suhu rendah, sulit digunakan pada frekuensi gambar yang tinggi, dan sulit dibuat dalam bahan non-silikon yang memperpanjang respons panjang gelombang."

Di RCA Laboratories, sebuah tim peneliti yang terdiri dari Paul K. Weimer, W.S. Pike dan G. Sadasiv pada tahun 1969 mengusulkan sensor gambar solid-state dengan sirkuit pemindaian yang menggunakan transistor film tipis (TFT), dengan film fotokonduktif yang digunakan sebagai fotodetektor. Pencitraan N-channel MOSFET (NMOS) beresolusi rendah yang "sebagian besar digital" dengan amplifikasi intra-piksel, untuk aplikasi mouse optik, didemonstrasikan oleh Richard F. Lyon pada tahun 1981. Jenis teknologi sensor gambar lainnya yang terkait dengan APS adalah array bidang fokus inframerah hibrida (IRFPA), yang didesain untuk beroperasi pada suhu kriogenik dalam spektrum inframerah. Perangkat ini terdiri atas dua chip yang disatukan seperti roti lapis: satu chip berisi elemen detektor yang dibuat dalam InGaAs atau HgCdTe, dan chip lainnya biasanya terbuat dari silikon dan digunakan untuk membaca fotodetektor. Tanggal pasti asal mula perangkat ini dirahasiakan, tetapi perangkat ini sudah digunakan pada pertengahan tahun 1980-an.

Elemen kunci sensor CMOS modern adalah fotodioda yang disematkan (PPD). Ini ditemukan oleh Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki dan Yasuo Ishihara di NEC pada tahun 1980, dan kemudian dilaporkan secara terbuka oleh Teranishi dan Ishihara bersama A. Kohono, E. Oda dan K. Arai pada tahun 1982, dengan penambahan struktur anti-mekar. Fotodioda yang disematkan adalah struktur fotodetektor dengan jeda rendah, noise rendah, efisiensi kuantum tinggi dan arus gelap rendah. Struktur fotodetektor baru yang ditemukan di NEC diberi nama "pinned photodiode" (PPD) oleh B.C. Burkey di Kodak pada tahun 1984. Pada tahun 1987, PPD mulai disatukan ke dalam sebagian besar sensor CCD, menjadi perlengkapan pada kamera video elektronik konsumen, dan kemudian kamera gambar diam digital. Sejak saat itu, PPD telah digunakan pada hampir semua sensor CCD dan kemudian sensor CMOS.

Sensor piksel pasif

Pendahulu APS adalah sensor piksel pasif (PPS), suatu jenis larik fotodioda (PDA). Sensor piksel pasif terdiri dari piksel pasif yang dibaca tanpa penguatan, dengan masing-masing piksel terdiri dari fotodioda dan sakelar MOSFET. Dalam larik fotodioda, piksel berisi sambungan p-n, kapasitor terintegrasi, dan MOSFET sebagai transistor pemilihan. Larik fotodioda diusulkan oleh G. Weckler pada tahun 1968, mendahului CCD. Ini adalah dasar untuk PPS, yang memiliki elemen sensor gambar dengan transistor pemilihan dalam piksel, yang diusulkan oleh Peter J.W. Noble pada tahun 1968, dan oleh Savvas G. Chamberlain pada tahun 1969.

Sensor piksel pasif diselidiki sebagai alternatif solid-state untuk perangkat pencitraan tabung vakum. Sensor piksel pasif MOS hanya menggunakan sakelar sederhana dalam piksel untuk membaca muatan terintegrasi fotodioda. Piksel disusun dalam struktur dua dimensi, dengan kabel pengaktifan akses yang digunakan bersama oleh piksel dalam baris yang sama, dan kabel keluaran yang digunakan bersama oleh kolom. Pada akhir setiap kolom terdapat sebuah transistor. Sensor piksel pasif memiliki banyak keterbatasan, seperti noise yang tinggi, pembacaan yang lambat, dan kurangnya skalabilitas. Array fotodioda awal (1960-an-1970-an) dengan transistor pilihan dalam setiap piksel, bersama dengan sirkuit multiplexer dalam chip, tidak praktis berukuran besar. Derau dari susunan fotodioda juga membatasi kinerja, karena kapasitansi bus pembacaan fotodioda mengakibatkan peningkatan tingkat derau pembacaan. Pengambilan sampel ganda berkorelasi (CDS) juga tidak dapat digunakan dengan susunan fotodioda tanpa memori eksternal. Pada tahun 1970-an, tidak memungkinkan untuk membuat sensor piksel aktif dengan ukuran piksel yang praktis, karena keterbatasan teknologi mikrolitografi pada saat itu. Karena proses MOS sangat bervariasi dan transistor MOS memiliki karakteristik yang berubah dari waktu ke waktu (ketidakstabilan V), operasi domain muatan CCD lebih dapat diproduksi dan memiliki kinerja yang lebih tinggi daripada sensor piksel pasif MOS.

Sensor piksel aktif

Sensor piksel aktif terdiri dari piksel aktif, masing-masing berisi satu atau lebih penguat MOSFET yang mengubah muatan yang dihasilkan foto menjadi tegangan, memperkuat tegangan sinyal, dan mengurangi noise. Konsep perangkat piksel aktif diusulkan oleh Peter Noble pada tahun 1968. Dia menciptakan susunan sensor dengan penguat pembacaan MOS aktif per piksel, yang pada dasarnya merupakan konfigurasi tiga transistor modern: struktur fotodioda yang terkubur, transistor pemilihan, dan penguat MOS.

Konsep piksel aktif MOS diimplementasikan sebagai perangkat modulasi muatan (CMD) oleh Olympus di Jepang pada pertengahan tahun 1980-an. Hal ini dimungkinkan oleh kemajuan dalam fabrikasi perangkat semikonduktor MOSFET, dengan penskalaan MOSFET mencapai tingkat mikron yang lebih kecil dan kemudian sub-mikron selama tahun 1980-an hingga awal 1990-an. MOS APS pertama dibuat oleh tim Tsutomu Nakamura di Olympus pada tahun 1985. Istilah sensor piksel aktif (APS) diciptakan oleh Nakamura sewaktu mengerjakan sensor piksel aktif CMD di Olympus. Pencitraan CMD memiliki struktur APS vertikal, yang meningkatkan faktor pengisian (atau mengurangi ukuran piksel) dengan menyimpan muatan sinyal di bawah transistor NMOS keluaran. Perusahaan semikonduktor Jepang lainnya segera mengikuti dengan sensor piksel aktif mereka sendiri selama akhir 1980-an hingga awal 1990-an. Antara tahun 1988 dan 1991, Toshiba mengembangkan sensor "transistor permukaan mengambang gerbang ganda", yang memiliki struktur APS lateral, dengan masing-masing piksel berisi fotogate MOS saluran terkubur dan penguat output PMOS. Antara tahun 1989 dan 1992, Canon mengembangkan sensor gambar yang tersimpan dalam basis (BASIS), yang menggunakan struktur APS vertikal, mirip dengan sensor Olympus, tetapi dengan transistor bipolar, bukan MOSFET.

Pada awal tahun 1990-an, perusahaan-perusahaan Amerika mulai mengembangkan sensor piksel aktif MOS yang praktis. Pada tahun 1991, Texas Instruments mengembangkan sensor CMD massal (BCMD), yang dibuat di cabang perusahaan di Jepang dan memiliki struktur APS vertikal yang mirip dengan sensor CMD Olympus, tetapi lebih kompleks dan menggunakan transistor PMOS, bukan NMOS.

Sensor CMOS

Pada akhir tahun 1980-an hingga awal 1990-an, proses CMOS sudah mapan sebagai proses manufaktur semikonduktor stabil yang terkendali dengan baik, dan merupakan proses dasar untuk hampir semua logika dan mikroprosesor. Ada kebangkitan dalam penggunaan sensor piksel pasif untuk aplikasi pencitraan kelas bawah, sementara sensor piksel aktif mulai digunakan untuk aplikasi fungsi tinggi beresolusi rendah seperti simulasi retina dan detektor partikel berenergi tinggi. Namun demikian, CCD tetap memiliki noise temporal dan noise pola tetap yang jauh lebih rendah dan merupakan teknologi yang dominan untuk aplikasi konsumen seperti camcorder serta kamera siaran, di mana CCD menggantikan tabung kamera video.

Pada tahun 1993, APS praktis pertama yang berhasil dibuat di luar Jepang, dikembangkan di Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, yang membuat APS yang kompatibel dengan CMOS. Ini memiliki struktur APS lateral yang mirip dengan sensor Toshiba, tetapi dibuat dengan transistor CMOS, bukan PMOS. Ini adalah sensor CMOS pertama dengan transfer muatan intra-piksel.

Pada tahun 1999, Hyundai Electronics mengumumkan produksi komersial sensor gambar CMOS warna 800x600 piksel berdasarkan piksel 4T dengan fotodioda yang disematkan berkinerja tinggi dengan ADC terintegrasi dan dibuat dalam proses DRAM 0,5um dasar.

Sensor CMOS Photobit digunakan pada webcam yang diproduksi oleh Logitech dan Intel, sebelum Photobit dibeli oleh Micron Technology pada tahun 2001. Pasar sensor CMOS awal pada awalnya dipimpin oleh produsen Amerika, seperti Micron, dan Omnivision, yang memungkinkan Amerika Serikat untuk secara singkat merebut kembali sebagian pasar sensor gambar secara keseluruhan dari Jepang, sebelum akhirnya pasar sensor CMOS didominasi oleh Jepang, Korea Selatan, dan Tiongkok. Sensor CMOS dengan teknologi PPD semakin maju dan disempurnakan oleh RM Guidash pada tahun 1997, K. Yonemoto dan H. Sumi pada tahun 2000, dan I. Inoue pada tahun 2003. Hal ini menyebabkan sensor CMOS mencapai performa penggambaran yang setara dengan sensor CCD, dan kemudian melampaui sensor CCD.

Pada tahun 2000, sensor CMOS digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk kamera murah, kamera PC, faks, multimedia, keamanan, pengawasan, dan telepon video.

Industri video beralih ke kamera CMOS dengan munculnya video definisi tinggi (video HD), karena jumlah piksel yang besar akan memerlukan konsumsi daya yang jauh lebih tinggi dengan sensor CCD, yang akan membuat baterai menjadi panas dan menguras baterai. Sony pada tahun 2007 mengkomersialkan sensor CMOS dengan sirkuit konversi A/D kolom asli, untuk performa yang cepat dan rendah noise, diikuti pada tahun 2009 oleh sensor CMOS back-illuminated (sensor BI), dengan sensitivitas dua kali lipat sensor gambar konvensional.

Sensor CMOS kemudian memiliki dampak budaya yang signifikan, yang menyebabkan proliferasi massal kamera digital dan ponsel kamera, yang mendukung kebangkitan media sosial dan budaya selfie, serta berdampak pada pergerakan sosial dan politik di seluruh dunia. Pada tahun 2007, penjualan sensor piksel aktif CMOS telah melampaui sensor CCD, dengan sensor CMOS menguasai 54% pasar sensor gambar global pada waktu itu. Pada tahun 2012, sensor CMOS meningkatkan pangsa pasarnya menjadi 74%. Pada tahun 2017, sensor CMOS menguasai 89% penjualan sensor gambar global. Dalam beberapa tahun terakhir, [kapan?] teknologi sensor CMOS telah menyebar ke fotografi format menengah dengan Phase One menjadi yang pertama meluncurkan kamera digital format menengah dengan sensor CMOS buatan Sony.

Pada tahun 2012, Sony memperkenalkan sensor CMOS BI bertumpuk. Ada beberapa kegiatan penelitian yang sedang berlangsung di bidang sensor gambar. Salah satunya adalah quanta image sensor (QIS), yang mungkin merupakan pergeseran paradigma dalam cara kita mengumpulkan gambar dalam kamera. Dalam QIS, tujuannya adalah untuk menghitung setiap foton yang mengenai sensor gambar, dan memberikan resolusi kurang dari 1 juta hingga 1 miliar atau lebih elemen foto khusus (disebut jot) per sensor, dan membaca bidang bit jot ratusan atau ribuan kali per detik yang menghasilkan data terabit/detik. Ide QIS masih dalam tahap awal dan mungkin tidak akan pernah menjadi kenyataan karena kerumitan yang tidak diperlukan untuk menangkap gambar 

Boyd Fowler dari OmniVision dikenal atas karyanya dalam pengembangan sensor gambar CMOS. Kontribusinya meliputi sensor gambar CMOS piksel digital pertama pada tahun 1994; sensor gambar CMOS linier ilmiah pertama dengan noise pembacaan RMS elektron tunggal pada tahun 2003; sensor gambar CMOS area multi-megapiksel ilmiah pertama dengan rentang dinamis tinggi secara simultan (86 dB), pembacaan cepat (100 frame/detik) dan noise pembacaan sangat rendah (1,2e- RMS) (sCMOS) pada tahun 2010. Beliau juga mematenkan sensor gambar CMOS pertama untuk sinar-X gigi inter-oral dengan sudut terpotong untuk kenyamanan pasien yang lebih baik.

Pada akhir tahun 2010-an, sensor CMOS sebagian besar atau bahkan seluruhnya telah menggantikan sensor CCD, karena sensor CMOS tidak hanya dapat dibuat di lini produksi semikonduktor yang ada, sehingga mengurangi biaya, tetapi juga mengonsumsi lebih sedikit daya, hanya untuk menyebutkan beberapa keuntungan. 

HV-CMOS

Perangkat HV-CMOS adalah kasus khusus dari sensor CMOS biasa yang digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi (untuk mendeteksi partikel berenergi tinggi) seperti CERN Large Hadron Collider yang membutuhkan tegangan tinggi hingga ~30-120V. Perangkat tersebut tidak digunakan untuk pengalihan tegangan tinggi. HV-CMOS biasanya diimplementasikan dengan zona deplesi n-doped sedalam ~ 10 μm (n-well) dari transistor pada substrat wafer tipe-p.

Perbandingan dengan CCD

Piksel APS memecahkan masalah kecepatan dan skalabilitas sensor piksel pasif. Sensor ini umumnya mengonsumsi daya lebih sedikit daripada CCD, memiliki jeda gambar yang lebih sedikit, dan memerlukan fasilitas produksi yang lebih sedikit. Tidak seperti CCD, sensor APS dapat menggabungkan fungsi sensor gambar dan fungsi pemrosesan gambar dalam sirkuit terpadu yang sama. Sensor APS telah menemukan pasar dalam banyak aplikasi konsumen, khususnya ponsel kamera. Sensor ini juga telah digunakan di bidang lain termasuk radiografi digital, akuisisi gambar militer berkecepatan sangat tinggi, kamera keamanan, dan mouse optik. Produsennya antara lain Aptina Imaging (spinout independen dari Micron Technology, yang membeli Photobit pada tahun 2001), Canon, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, OmniVision Technologies, Sony, dan Foveon. Sensor APS tipe CMOS biasanya sesuai untuk aplikasi yang mengutamakan pengemasan, manajemen daya, dan pemrosesan on-chip. Sensor tipe CMOS digunakan secara luas, dari fotografi digital kelas atas hingga kamera ponsel.

Keuntungan CMOS dibandingkan dengan CCD

Keuntungan utama sensor CMOS yaitu, biaya produksinya biasanya lebih murah daripada sensor CCD, karena elemen pengambilan gambar dan penginderaan gambar dapat dipadukan ke dalam IC yang sama, dan konstruksinya pun lebih sederhana.

Sensor CMOS juga biasanya memiliki kontrol yang lebih baik atas blooming (yaitu, pelepasan muatan foto dari piksel yang terlalu banyak cahaya ke piksel lain di dekatnya).

Dalam sistem kamera tiga sensor yang menggunakan sensor terpisah untuk menyelesaikan komponen merah, hijau, dan biru pada gambar bersama dengan prisma pembagi berkas, ketiga sensor CMOS bisa identik, sedangkan kebanyakan prisma pembagi mengharuskan salah satu sensor CCD harus gambar cermin dari dua sensor lainnya untuk membaca gambar dalam urutan yang kompatibel. Tidak seperti sensor CCD, sensor CMOS memiliki kemampuan untuk membalikkan pengalamatan elemen sensor. Sensor CMOS dengan kecepatan film ISO 4 juta sudah ada.

Kekurangan CMOS dibandingkan dengan CCD

Karena sensor CMOS biasanya menangkap satu baris pada satu waktu dalam waktu kira-kira 1/60 atau 1/50 detik (tergantung pada kecepatan penyegaran), maka, hal ini bisa menghasilkan efek "rana bergulir", di mana gambar menjadi miring (miring ke kiri atau ke kanan, tergantung pada arah pergerakan kamera atau subjek). Contohnya, apabila melacak mobil yang bergerak pada kecepatan tinggi, mobil tidak akan terdistorsi, tetapi latar belakangnya akan tampak miring. Sensor CCD transfer bingkai atau sensor CMOS "rana global" tidak memiliki masalah ini; sebaliknya, sensor ini menangkap seluruh gambar sekaligus ke dalam penyimpanan bingkai.

Keunggulan sensor CCD yang sudah lama ada yaitu, kemampuannya menangkap gambar dengan noise yang lebih rendah. Dengan perbaikan dalam teknologi CMOS, keunggulan ini sudah tidak ada lagi pada tahun 2020, dengan tersedianya sensor CMOS modern yang mampu mengungguli sensor CCD.

Sirkuit aktif dalam piksel CMOS mengambil sebagian area pada permukaan yang tidak peka cahaya, sehingga mengurangi efisiensi pendeteksian foton pada perangkat (lensa mikro dan sensor yang disinari cahaya latar bisa mengurangi masalah ini). Tetapi, CCD frame-transfer juga memiliki sekitar setengah area yang tidak peka untuk node penyimpan bingkai, sehingga keuntungan relatif bergantung pada jenis sensor yang dibandingkan. 

Disadur dari : en.wikipedia.org

 

Light-emitting diode (LED) adalah perangkat semikonduktor yang memancarkan cahaya ketika arus mengalir melaluinya. Elektron dalam semikonduktor bergabung kembali dengan lubang elektron, melepaskan energi dalam bentuk foton. Warna cahaya (sesuai dengan energi foton) ditentukan oleh energi yang dibutuhkan elektron untuk melintasi celah pita semikonduktor. Cahaya putih diperoleh dengan menggunakan beberapa semikonduktor atau lapisan fosfor pemancar cahaya pada perangkat semikonduktor.

Muncul sebagai komponen elektronik praktis pada tahun 1962, LED paling awal memancarkan cahaya inframerah (IR) intensitas rendah. LED inframerah digunakan dalam sirkuit kendali jarak jauh, seperti yang digunakan pada berbagai macam barang elektronik konsumen. LED cahaya tampak pertama memiliki intensitas rendah dan terbatas pada warna merah.

LED awal sering digunakan sebagai lampu indikator, menggantikan lampu pijar kecil, dan pada tampilan tujuh segmen. Perkembangan selanjutnya menghasilkan LED yang tersedia dalam panjang gelombang tampak, ultraviolet (UV), dan inframerah dengan output cahaya tinggi, rendah, atau menengah, misalnya, LED putih yang cocok untuk penerangan dalam dan luar ruangan. LED juga telah memunculkan jenis tampilan dan sensor baru, sementara tingkat peralihannya yang tinggi berguna dalam teknologi komunikasi canggih dengan aplikasi yang beragam seperti pencahayaan penerbangan, lampu peri, lampu strip, lampu depan otomotif, periklanan, penerangan umum, sinyal lalu lintas, lampu kilat kamera, wallpaper yang menyala, lampu pertumbuhan hortikultura, dan perangkat medis.

LED memiliki banyak keunggulan dibandingkan sumber cahaya pijar, termasuk konsumsi daya yang lebih rendah, masa pakai yang lebih lama, ketahanan fisik yang lebih baik, ukuran yang lebih kecil, dan peralihan yang lebih cepat. Sebagai imbalan atas atribut yang umumnya menguntungkan ini, kelemahan LED termasuk keterbatasan listrik untuk tegangan rendah dan umumnya untuk daya DC (bukan AC), ketidakmampuan untuk memberikan pencahayaan yang stabil dari DC yang berdenyut atau sumber pasokan listrik AC, dan suhu operasi maksimum yang lebih rendah dan suhu penyimpanan.

LED adalah transduser listrik menjadi cahaya. LED beroperasi secara terbalik dengan fotodioda, yang mengubah cahaya menjadi listrik.

Sejarah

Penemuan dan perangkat awal

Electroluminescence sebagai sebuah fenomena ditemukan pada tahun 1907 oleh peneliti Inggris HJ Round dari Marconi Labs, menggunakan kristal silikon karbida dan detektor kumis kucing. Penemu Rusia, Oleg Losev, melaporkan penciptaan LED pertama pada tahun 1927. Penelitiannya didistribusikan di jurnal ilmiah Soviet, Jerman dan Inggris, tetapi tidak ada penggunaan praktis dari penemuan ini selama beberapa dekade, sebagian karena sifat silikon karbida yang sangat tidak efisien dalam menghasilkan cahaya, semikonduktor yang digunakan Losev.

Pada tahun 1936, Georges Destriau mengamati bahwa electroluminescence dapat dihasilkan ketika bubuk seng sulfida (ZnS) disuspensikan dalam isolator dan medan listrik bolak-balik diterapkan padanya. Dalam publikasinya, Destriau sering menyebut pendaran sebagai Losev-Light. Destriau bekerja di laboratorium Madame Marie Curie, yang juga merupakan perintis awal di bidang pendaran dengan penelitian tentang radium.

Zoltán Bay dari Hungaria bersama dengan György Szigeti mendahului pencahayaan LED di Hungaria pada tahun 1939 dengan mematenkan perangkat pencahayaan berdasarkan silikon karbida, dengan opsi boron karbida, yang memancarkan cahaya putih, putih kekuningan, atau putih kehijauan, tergantung pada kotoran yang ada. Kurt Lehovec, Carl Accardo, dan Edward Jamgochian menjelaskan LED pertama ini pada tahun 1951 menggunakan alat yang menggunakan kristal SiC dengan sumber arus dari baterai atau generator pulsa dan dengan perbandingan dengan varian, kristal murni, pada tahun 1953.

Rubin Braunstein dari Radio Corporation of America melaporkan emisi inframerah dari galium arsenida (GaAs) dan paduan semikonduktor lainnya pada tahun 1955. Braunstein mengamati emisi inframerah yang dihasilkan oleh struktur dioda sederhana yang menggunakan gallium antimonide (GaSb), GaAs, indium fosfida (InP), dan paduan silikon-germanium (SiGe) pada suhu kamar dan pada 77 kelvin. Pada tahun 1957, Braunstein lebih lanjut mendemonstrasikan bahwa perangkat yang belum sempurna tersebut dapat digunakan untuk komunikasi non-radio dalam jarak pendek. Seperti yang dicatat oleh Kroemer Braunstein " telah membuat hubungan komunikasi optik sederhana: Musik yang muncul dari pemutar rekaman digunakan melalui elektronik yang sesuai untuk memodulasi arus maju dioda GaAs. Cahaya yang dipancarkan dideteksi oleh dioda PbS yang berada agak jauh. Sinyal ini dimasukkan ke dalam penguat audio dan diputar ulang oleh pengeras suara. Mencegat sinar tersebut akan menghentikan musik. Kami sangat senang bermain dengan pengaturan ini." Pengaturan ini meramalkan penggunaan LED untuk aplikasi komunikasi optik.

Pada bulan September 1961, ketika bekerja di Texas Instruments di Dallas, Texas, James R. Biard dan Gary Pittman menemukan emisi cahaya inframerah-dekat (900 nm) dari dioda terowongan yang mereka buat di atas substrat GaAs. Pada bulan Oktober 1961, mereka telah mendemonstrasikan emisi cahaya yang efisien dan penggabungan sinyal antara pemancar cahaya persimpangan p-n GaAs dan fotodetektor semikonduktor yang terisolasi secara elektrik. Pada tanggal 8 Agustus 1962, Biard dan Pittman mengajukan paten berjudul "Semiconductor Radiant Diode" berdasarkan temuan mereka, yang menggambarkan LED sambungan p-n yang disebarkan dengan seng dengan kontak katoda berjarak untuk memungkinkan emisi cahaya inframerah yang efisien di bawah bias maju. Setelah menetapkan prioritas pekerjaan mereka berdasarkan buku catatan teknik yang mendahului pengajuan dari G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs, dan Lincoln Lab di MIT, kantor paten A.S. menerbitkan paten untuk dioda pemancar cahaya inframerah GaAs (Paten A.S. US3293513) kepada kedua penemu tersebut, LED praktis pertama. Segera setelah mengajukan paten, Texas Instruments (TI) memulai proyek pembuatan dioda inframerah. Pada bulan Oktober 1962, TI mengumumkan produk LED komersial pertama (SNX-100), yang menggunakan kristal GaAs murni untuk memancarkan output cahaya 890 nm. Pada bulan Oktober 1963, TI mengumumkan LED hemispherical komersial pertama, SNX-110.

Pada tahun 1960-an, beberapa laboratorium berfokus pada LED yang akan memancarkan cahaya tampak. Perangkat yang sangat penting didemonstrasikan oleh Nick Holonyak pada tanggal 9 Oktober 1962, ketika ia bekerja untuk General Electric di Syracuse, New York. Perangkat ini menggunakan paduan semikonduktor galium fosfida arsenida (GaAsP). Itu adalah laser semikonduktor pertama yang memancarkan cahaya tampak, meskipun pada suhu rendah. Pada suhu kamar, laser ini masih berfungsi sebagai dioda pemancar cahaya merah. GaAsP adalah dasar untuk gelombang pertama LED komersial yang memancarkan cahaya tampak. Ini diproduksi secara massal oleh perusahaan Monsanto dan Hewlett-Packard dan digunakan secara luas untuk tampilan di kalkulator dan jam tangan.

M. George Craford, mantan mahasiswa pascasarjana Holonyak, menemukan LED kuning pertama dan meningkatkan kecerahan LED merah dan merah-oranye dengan faktor sepuluh pada tahun 1972. Pada tahun 1976, TP Pearsall mendesain LED dengan kecerahan tinggi dan efisiensi tinggi pertama untuk telekomunikasi serat optik dengan menciptakan bahan semikonduktor baru yang secara khusus disesuaikan dengan panjang gelombang transmisi serat optik.

Pengembangan komersial awal

Hingga tahun 1968, LED tampak dan inframerah sangat mahal, sekitar US$200 per unit, sehingga tidak banyak digunakan secara praktis. LED panjang gelombang tampak komersial pertama menggunakan semikonduktor GaAsP dan umumnya digunakan sebagai pengganti lampu indikator pijar dan neon, dan pada tampilan tujuh segmen, pertama pada peralatan mahal seperti peralatan uji laboratorium dan elektronik, kemudian pada peralatan seperti kalkulator, TV, radio, telepon, dan jam tangan.

Perusahaan Hewlett-Packard (HP) terlibat dalam penelitian dan pengembangan (R&D) pada LED praktis antara tahun 1962 dan 1968, oleh tim peneliti di bawah Howard C. Borden, Gerald P. Pighini di HP Associates dan HP Labs. Selama masa ini, HP berkolaborasi dengan Monsanto Company dalam mengembangkan produk LED pertama yang dapat digunakan. Produk LED pertama yang dapat digunakan adalah layar LED HP dan lampu indikator LED Monsanto, keduanya diluncurkan pada tahun 1968.

Monsanto adalah organisasi pertama yang memproduksi LED yang dapat dilihat secara massal, menggunakan Gallium arsenide phosphide (GaAsP) pada tahun 1968 untuk menghasilkan LED merah yang cocok untuk indikator. Monsanto sebelumnya telah menawarkan untuk memasok GaAsP ke HP, tetapi HP memutuskan untuk mengembangkan GaAsP sendiri. Pada bulan Februari 1969, Hewlett-Packard memperkenalkan HP Model 5082-7000 Numeric Indicator, perangkat LED pertama yang menggunakan teknologi sirkuit terintegrasi (sirkuit LED terintegrasi). Ini adalah tampilan LED cerdas pertama, dan merupakan revolusi dalam teknologi tampilan digital, menggantikan tabung Nixie dan menjadi dasar untuk tampilan LED selanjutnya.

Pada tahun 1970-an, perangkat LED yang sukses secara komersial dengan harga kurang dari lima sen, masing-masing diproduksi oleh Fairchild Optoelektronik. Perangkat ini menggunakan chip semikonduktor majemuk yang dibuat dengan proses planar (dikembangkan oleh Jean Hoerni). Kombinasi pemrosesan planar untuk fabrikasi chip dan metode pengemasan yang inovatif memungkinkan tim di Fairchild yang dipimpin oleh pelopor optoelektronika Thomas Brandt untuk mencapai pengurangan biaya yang dibutuhkan. Produsen LED terus menggunakan metode ini.

LED merah awal cukup terang untuk digunakan sebagai indikator, karena output cahaya tidak cukup untuk menerangi suatu area. Pembacaan pada kalkulator sangat kecil sehingga lensa plastik dipasang di atas setiap angka agar dapat terbaca. Kemudian, warna lain menjadi tersedia secara luas dan muncul dalam peralatan dan perlengkapan.

LED awal dikemas dalam wadah logam yang mirip dengan transistor, dengan jendela kaca atau lensa untuk membiarkan cahaya keluar. LED indikator modern dikemas dalam wadah plastik cetakan transparan, berbentuk tabung atau persegi panjang, dan sering kali diwarnai agar sesuai dengan warna perangkat. Perangkat inframerah dapat diwarnai, untuk memblokir cahaya tampak. Paket yang lebih kompleks telah diadaptasi untuk pembuangan panas yang efisien pada LED berdaya tinggi. LED yang dipasang di permukaan semakin mengurangi ukuran paket. LED yang dimaksudkan untuk digunakan dengan kabel serat optik dapat dilengkapi dengan konektor optik.

LED biru

LED biru-ungu pertama yang menggunakan gallium nitrida yang didoping magnesium dibuat di Universitas Stanford pada tahun 1972 oleh Herb Maruska dan Wally Rhines, mahasiswa doktoral di bidang ilmu dan teknik material. Pada saat itu Maruska sedang cuti dari RCA Laboratories, di mana ia berkolaborasi dengan Jacques Pankove dalam pekerjaan terkait. Pada tahun 1971, setahun setelah Maruska pergi ke Stanford, rekan-rekannya di RCA, Pankove dan Ed Miller mendemonstrasikan electroluminescence biru pertama dari gallium nitrida yang didoping dengan seng, meskipun perangkat berikutnya yang dibuat oleh Pankove dan Miller, yaitu dioda pemancar cahaya gallium nitrida yang sebenarnya, memancarkan cahaya hijau. Pada tahun 1974, Kantor Paten AS memberikan paten kepada Maruska, Rhines, dan profesor Stanford, David Stevenson, atas karya mereka pada tahun 1972 (Paten AS US3819974 A). Saat ini, doping magnesium galium nitrida tetap menjadi dasar untuk semua LED biru komersial dan dioda laser. Pada awal tahun 1970-an, perangkat ini terlalu redup untuk penggunaan praktis, dan penelitian terhadap perangkat galium nitrida melambat.

Pada bulan Agustus 1989, Cree memperkenalkan LED biru pertama yang tersedia secara komersial berdasarkan semikonduktor celah pita tidak langsung, silikon karbida (SiC). LED SiC memiliki efisiensi yang sangat rendah, tidak lebih dari sekitar 0,03%, tetapi memancarkan bagian biru dari spektrum cahaya tampak.

Pada akhir 1980-an, terobosan utama dalam pertumbuhan epitaxial GaN dan doping tipe-p mengantarkan era modern perangkat optoelektronik berbasis GaN. Berdasarkan fondasi ini, Theodore Moustakas dari Boston University mematenkan metode untuk memproduksi LED biru dengan kecerahan tinggi menggunakan proses dua langkah baru pada tahun 1991. Pada tahun 2015, pengadilan AS memutuskan bahwa tiga perusahaan Taiwan telah melanggar paten Moustakas sebelumnya, dan memerintahkan mereka untuk membayar biaya lisensi tidak kurang dari US $ 13 juta.

Dua tahun kemudian, pada tahun 1993, LED biru dengan kecerahan tinggi didemonstrasikan oleh Shuji Nakamura dari Nichia Corporation dengan menggunakan proses pertumbuhan gallium nitride (GaN). LED ini memiliki efisiensi 10%. Secara paralel, Isamu Akasaki dan Hiroshi Amano dari Universitas Nagoya sedang mengerjakan pengembangan deposisi GaN yang penting pada substrat safir dan demonstrasi doping tipe-p GaN. Perkembangan baru ini merevolusi pencahayaan LED, membuat sumber cahaya biru berdaya tinggi menjadi praktis, yang mengarah pada pengembangan teknologi seperti Blu-ray.

Nakamura dianugerahi Penghargaan Teknologi Milenium 2006 untuk penemuannya. Nakamura, Hiroshi Amano, dan Isamu Akasaki dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2014 untuk "penemuan dioda pemancar cahaya biru yang efisien, yang memungkinkan sumber cahaya putih yang terang dan hemat energi."

Pada tahun 1995, Alberto Barbieri di Laboratorium Universitas Cardiff (GB) menyelidiki efisiensi dan keandalan LED dengan kecerahan tinggi dan mendemonstrasikan LED "kontak transparan" yang menggunakan indium timah oksida (ITO) pada (AlGaInP/GaAs).

Pada tahun 2001 dan 2002, proses untuk menumbuhkan LED gallium nitride (GaN) pada silikon berhasil didemonstrasikan. Pada bulan Januari 2012, Osram mendemonstrasikan LED InGaN berdaya tinggi yang ditumbuhkan pada substrat silikon secara komersial, dan LED GaN-on-silikon sedang diproduksi di Plessey Semiconductors. Pada tahun 2017, beberapa produsen menggunakan SiC sebagai substrat untuk produksi LED, tetapi safir lebih umum digunakan, karena memiliki sifat yang paling mirip dengan galium nitrida, sehingga mengurangi kebutuhan untuk memola wafer safir (wafer berpola dikenal sebagai wafer epi). Samsung, University of Cambridge, dan Toshiba sedang melakukan penelitian tentang GaN pada LED Si. Toshiba telah menghentikan penelitian, mungkin karena hasil yang rendah. Beberapa memilih epitaksi, yang sulit dilakukan pada silikon, sementara yang lain, seperti University of Cambridge, memilih struktur multi-lapisan, untuk mengurangi ketidakcocokan kisi (kristal) dan rasio ekspansi termal yang berbeda, untuk menghindari keretakan chip LED pada suhu tinggi (mis. Selama pembuatan), mengurangi pembentukan panas dan meningkatkan efisiensi bercahaya. Pemolaan substrat safir dapat dilakukan dengan litografi nanoimprint.

GaN-on-Si sulit tetapi diinginkan karena memanfaatkan infrastruktur manufaktur semikonduktor yang ada. Hal ini memungkinkan pengemasan tingkat wafer dari cetakan LED yang menghasilkan paket LED yang sangat kecil.

GaN sering diendapkan menggunakan Metalorganic vapor-phase epitaksi (MOCVD), dan juga menggunakan Lift-off.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Memori flash adalah media penyimpanan memori komputer non-volatil elektronik yang dapat dihapus dan diprogram ulang secara elektrik. Dua jenis utama memori flash, flash NOR dan flash NAND, dinamai berdasarkan gerbang logika NOR dan NAND. Keduanya menggunakan desain sel yang sama, yang terdiri dari MOSFET gerbang mengambang. Keduanya berbeda pada tingkat sirkuit, tergantung pada status garis bit atau garis kata yang ditarik tinggi atau rendah: pada flash NAND, hubungan antara garis bit dan garis kata menyerupai gerbang NAND; pada flash NOR, menyerupai gerbang NOR.

Memori flash, suatu jenis memori gerbang mengambang, diciptakan di Toshiba pada tahun 1980 dan didasarkan pada teknologi EEPROM. Toshiba mulai memasarkan memori flash pada tahun 1987. EPROM harus dihapus sepenuhnya sebelum dapat ditulis ulang. Namun, memori flash NAND dapat dihapus, ditulis, dan dibaca dalam blok (atau halaman), yang umumnya jauh lebih kecil daripada keseluruhan perangkat. Memori flash NOR memungkinkan satu kata mesin untuk ditulis - ke lokasi yang dihapus - atau dibaca secara terpisah. Perangkat memori flash biasanya terdiri dari satu atau beberapa chip memori flash (masing-masing menampung banyak sel memori flash), bersama dengan chip pengontrol memori flash yang terpisah.

Jenis NAND ditemukan terutama pada kartu memori, USB flash drive, solid-state drive (yang diproduksi sejak tahun 2009), ponsel berfitur, ponsel cerdas, dan produk serupa, untuk penyimpanan dan transfer data secara umum. Memori flash NAND atau NOR juga sering digunakan untuk menyimpan data konfigurasi dalam produk digital, tugas yang sebelumnya dimungkinkan oleh EEPROM atau RAM statis bertenaga baterai. Kelemahan utama dari memori flash adalah bahwa memori ini hanya dapat bertahan dalam jumlah siklus penulisan yang relatif kecil dalam blok tertentu.

NOR Flash dikenal dengan kemampuan akses acak langsung, sehingga cocok untuk mengeksekusi kode secara langsung. Arsitekturnya memungkinkan akses byte individual, memfasilitasi kecepatan baca yang lebih cepat dibandingkan dengan Flash NAND. Memori Flash NAND beroperasi dengan arsitektur yang berbeda, mengandalkan pendekatan akses serial. Hal ini membuat NAND cocok untuk penyimpanan data dengan kepadatan tinggi, tetapi kurang efisien untuk tugas akses acak. Flash NAND sering digunakan dalam skenario yang membutuhkan penyimpanan berkapasitas tinggi yang hemat biaya, seperti pada drive USB, kartu memori, dan solid-state drive (SSD).

Pembeda utama terletak pada kasus penggunaan dan struktur internalnya. Flash NOR optimal untuk aplikasi yang membutuhkan akses cepat ke setiap byte, seperti pada sistem yang disematkan untuk eksekusi program. Flash NAND, di sisi lain, bersinar dalam skenario yang menuntut penyimpanan berkapasitas tinggi dan hemat biaya dengan akses data berurutan.

Memori Flash digunakan pada komputer, PDA, pemutar audio digital, kamera digital, ponsel, synthesizer, permainan video, instrumentasi ilmiah, robotika industri, dan elektronik medis. Memori flash memiliki waktu akses baca yang cepat, tetapi tidak secepat RAM atau ROM statis. Pada perangkat portabel, lebih disukai untuk menggunakan memori flash karena ketahanan terhadap guncangan mekanis karena drive mekanis lebih rentan terhadap kerusakan mekanis.

Karena siklus penghapusannya lambat, ukuran blok besar yang digunakan dalam penghapusan memori flash memberikan keuntungan kecepatan yang signifikan dibandingkan EEPROM non-flash saat menulis data dalam jumlah besar. Pada tahun 2019, harga memori flash jauh lebih murah daripada EEPROM yang dapat diprogram byte dan telah menjadi jenis memori yang dominan di mana pun sistem memerlukan penyimpanan solid-state non-volatil dalam jumlah yang signifikan. Namun, EEPROM masih digunakan dalam aplikasi yang hanya membutuhkan penyimpanan dalam jumlah kecil, seperti pada pendeteksi keberadaan serial.

Paket memori flash dapat menggunakan die stacking dengan vias silikon tembus dan beberapa lusin lapisan sel NAND TLC 3D (per die) secara bersamaan untuk mencapai kapasitas hingga 1 tebibyte per paket dengan menggunakan 16 die yang ditumpuk dan pengontrol flash terintegrasi sebagai die terpisah di dalam paket.

Sejarah

Latar Belakang

Asal mula memori flash dapat ditelusuri kembali ke pengembangan MOSFET gerbang mengambang (FGMOS), yang juga dikenal sebagai transistor gerbang mengambang. MOSFET (transistor efek medan semikonduktor oksida-logam) yang asli, juga dikenal sebagai transistor MOS, ditemukan oleh insinyur Mesir, Mohamed M. Atalla dan insinyur Korea, Dawon Kahng, di Bell Labs pada tahun 1959. Kahng kemudian mengembangkan variasi, MOSFET gerbang mengambang, dengan insinyur Taiwan-Amerika Simon Min Sze di Bell Labs pada tahun 1967. Mereka mengusulkan agar dapat digunakan sebagai sel memori gerbang mengambang untuk menyimpan suatu bentuk memori hanya-baca yang dapat diprogram (PROM) yang tidak mudah menguap dan dapat diprogram ulang.

Jenis awal memori gerbang mengambang termasuk EPROM (PROM yang dapat dihapus) dan EEPROM (PROM yang dapat dihapus secara elektrik) pada tahun 1970-an. Namun, memori gerbang mengambang awal mengharuskan para insinyur untuk membuat sel memori untuk setiap bit data, yang terbukti tidak praktis, lambat, dan mahal, sehingga membatasi memori gerbang mengambang untuk aplikasi khusus pada tahun 1970-an, seperti peralatan militer dan ponsel eksperimental paling awal.

Penemuan dan komersialisasi

Fujio Masuoka, ketika bekerja untuk Toshiba, mengusulkan jenis memori gerbang mengambang baru yang memungkinkan seluruh bagian memori dihapus dengan cepat dan mudah, dengan menerapkan tegangan ke satu kabel yang terhubung ke sekelompok sel. Hal ini menyebabkan penemuan memori flash oleh Masuoka di Toshiba pada tahun 1980. Menurut Toshiba, nama "flash" diusulkan oleh rekan Masuoka, Shōji Ariizumi, karena proses penghapusan isi memori mengingatkannya pada lampu kilat kamera. Masuoka dan rekannya mempresentasikan penemuan NOR flash pada tahun 1984, dan kemudian NAND flash pada Pertemuan Perangkat Elektron Internasional (IEDM) IEEE 1987 yang diadakan di San Francisco.

Toshiba meluncurkan memori flash NAND secara komersial pada tahun 1987. Intel Corporation memperkenalkan chip flash tipe NOR komersial pertama pada tahun 1988. Flash berbasis NOR memiliki waktu hapus dan tulis yang lama, tetapi menyediakan alamat lengkap dan bus data, sehingga memungkinkan akses acak ke lokasi memori mana pun. Hal ini menjadikannya sebagai pengganti yang sesuai untuk chip memori hanya-baca (ROM) yang lebih tua, yang digunakan untuk menyimpan kode program yang jarang perlu diperbarui, seperti BIOS komputer atau firmware dekoder. Daya tahannya mungkin hanya 100 siklus penghapusan untuk memori flash dalam chip, hingga 10.000 atau 100.000 siklus penghapusan, hingga 1.000.000 siklus penghapusan. Flash berbasis NOR adalah dasar dari media lepasan berbasis flash awal; CompactFlash pada awalnya didasarkan pada flash ini, meskipun kemudian kartu-kartu tersebut beralih ke flash NAND yang lebih murah.

Flash NAND telah mengurangi waktu hapus dan tulis, dan membutuhkan area chip yang lebih sedikit per sel, sehingga memungkinkan densitas penyimpanan yang lebih besar dan biaya per bit yang lebih rendah daripada flash NOR. Namun, antarmuka I/O flash NAND tidak menyediakan bus alamat eksternal akses acak. Sebaliknya, data harus dibaca berdasarkan blok, dengan ukuran blok yang umumnya ratusan hingga ribuan bit. Hal ini membuat flash NAND tidak cocok sebagai pengganti ROM program, karena sebagian besar mikroprosesor dan mikrokontroler memerlukan akses acak tingkat byte. Dalam hal ini, flash NAND mirip dengan perangkat penyimpanan data sekunder lainnya, seperti hard disk dan media optik, sehingga sangat cocok untuk digunakan dalam perangkat penyimpanan massal, seperti kartu memori dan solid-state drive (SSD). Sebagai contoh, SSD menyimpan data menggunakan beberapa chip memori flash NAND.

Format kartu memori yang dapat dilepas-pasang berbasis NAND yang pertama adalah SmartMedia, yang dirilis pada tahun 1995. Banyak format lain yang menyusul, termasuk MultiMediaCard, Secure Digital, Memory Stick, dan xD-Picture Card.

Perkembangan selanjutnya

Format kartu memori generasi baru, termasuk RS-MMC, miniSD dan microSD, memiliki faktor bentuk yang sangat kecil. Contohnya, kartu microSD memiliki luas area lebih dari 1,5 cm2, dengan ketebalan kurang dari 1 mm.

Flash NAND telah mencapai tingkat densitas memori yang signifikan sebagai hasil dari beberapa teknologi utama yang dikomersialkan pada akhir tahun 2000-an hingga awal tahun 2010.

Flash NOR merupakan jenis memori Flash yang paling umum dijual hingga tahun 2005, ketika flash NAND mengambil alih penjualan flash NOR.

Teknologi multi-level cell (MLC) menyimpan lebih dari satu bit dalam setiap sel memori. NEC mendemonstrasikan teknologi multi-level cell (MLC) pada tahun 1998, dengan chip memori flash 80 Mb yang menyimpan 2 bit per sel. STMicroelectronics juga mendemonstrasikan MLC pada tahun 2000, dengan chip memori flash NOR 64 MB. Pada tahun 2009, Toshiba dan SanDisk memperkenalkan chip flash NAND dengan teknologi QLC yang menyimpan 4 bit per sel dan memiliki kapasitas 64 Gbit. Samsung Electronics memperkenalkan teknologi triple-level cell (TLC) yang menyimpan 3-bit per sel, dan mulai memproduksi massal chip NAND dengan teknologi TLC pada tahun 2010.

Lampu kilat perangkap pengisian daya

Teknologi charge trap flash (CTF) menggantikan gerbang mengambang polisilikon, yang diapit di antara oksida gerbang pemblokiran di atas dan oksida terowongan di bawahnya, dengan lapisan silikon nitrida yang mengisolasi secara elektrik; lapisan silikon nitrida memerangkap elektron. Secara teori, CTF tidak terlalu rentan terhadap kebocoran elektron, sehingga memberikan retensi data yang lebih baik.

Karena CTF menggantikan polisilikon dengan nitrida yang mengisolasi secara elektrik, CTF memungkinkan sel yang lebih kecil dan daya tahan yang lebih tinggi (degradasi atau keausan yang lebih rendah). Namun, elektron dapat terperangkap dan terakumulasi dalam nitrida, yang menyebabkan degradasi. Kebocoran diperburuk pada suhu tinggi karena elektron menjadi lebih tereksitasi dengan meningkatnya suhu. Namun, teknologi CTF masih menggunakan oksida terowongan dan lapisan pemblokiran yang merupakan titik lemah dari teknologi ini, karena masih dapat rusak dengan cara biasa (oksida terowongan dapat terdegradasi karena medan listrik yang sangat tinggi dan lapisan pemblokiran karena Injeksi Lubang Panas Anoda (AHHI).

Degradasi atau keausan oksida merupakan alasan mengapa memori flash memiliki daya tahan yang terbatas, dan retensi data menurun (potensi kehilangan data meningkat) dengan meningkatnya degradasi, karena oksida kehilangan karakteristik insulasi listrik saat terdegradasi. Oksida harus mengisolasi elektron agar tidak bocor yang akan menyebabkan kehilangan data.

Pada tahun 1991, para peneliti NEC, termasuk N. Kodama, K. Oyama dan Hiroki Shirai menjelaskan jenis memori flash dengan metode perangkap muatan. Pada tahun 1998, Boaz Eitan dari Saifun Semiconductors (kemudian diakuisisi oleh Spansion) mematenkan teknologi memori flash bernama NROM yang memanfaatkan lapisan perangkap muatan untuk menggantikan gerbang mengambang konvensional yang digunakan pada desain memori flash konvensional. Pada tahun 2000, tim riset Advanced Micro Devices (AMD) yang dipimpin oleh Richard M. Fastow, insinyur Mesir Khaled Z. Ahmed, dan insinyur Yordania Sameer Haddad (yang kemudian bergabung dengan Spansion) mendemonstrasikan mekanisme perangkap muatan untuk sel memori flash NOR. CTF kemudian dikomersialkan oleh AMD dan Fujitsu pada tahun 2002. Teknologi 3D V-NAND (NAND vertikal) menumpuk sel memori flash NAND secara vertikal di dalam chip menggunakan teknologi 3D charge trap flash (CTP). Teknologi 3D V-NAND pertama kali diumumkan oleh Toshiba pada tahun 2007, dan perangkat pertama, dengan 24 lapisan, pertama kali dikomersialkan oleh Samsung Electronics pada tahun 2013.

Teknologi sirkuit terpadu 3D

Teknologi sirkuit terpadu 3D (IC 3D) menumpuk chip sirkuit terpadu (IC) secara vertikal ke dalam satu paket chip IC 3D. Toshiba memperkenalkan teknologi IC 3D pada memori flash NAND pada bulan April 2007, saat mereka memulai debutnya pada memori flash NAND yang kompatibel dengan eMMC 16 GB (nomor produk THGAM0G7D8DBAI6, sering disingkat THGAM di situs web konsumen), yang disematkan pada chip memori flash NAND, yang dibuat dengan delapan chip flash NAND 2 GB yang ditumpuk. Pada bulan September 2007, Hynix Semiconductor (sekarang SK Hynix) memperkenalkan teknologi IC 3D 24 lapis, dengan chip memori flash 16 GB yang diproduksi dengan 24 chip flash NAND yang ditumpuk menggunakan proses pengikatan wafer. Toshiba juga menggunakan IC 3D delapan lapis untuk chip flash THGBM 32 GB pada tahun 2008. Pada tahun 2010, Toshiba menggunakan IC 3D 16 lapis untuk chip flash THGBM2 128 GB, yang diproduksi dengan 16 chip 8 GB yang ditumpuk. Pada tahun 2010-an, IC 3D mulai digunakan secara komersial secara luas untuk memori flash NAND di perangkat seluler.

Pada tahun 2016, Micron dan Intel memperkenalkan teknologi yang dikenal sebagai CMOS Di Bawah Array/CMOS Under Array (CUA), Core over Periphery (COP), Periphery Under Cell (PUA), atau Xtacking, di mana sirkuit kontrol untuk memori flash ditempatkan di bawah atau di atas susunan sel memori flash. Hal ini memungkinkan peningkatan jumlah bidang atau bagian yang dimiliki chip memori flash, meningkat dari 2 bidang menjadi 4 bidang, tanpa menambah area yang didedikasikan untuk sirkuit kontrol atau periferal. Hal ini meningkatkan jumlah operasi IO per chip flash atau die, tetapi juga menimbulkan tantangan ketika membangun kapasitor untuk pompa pengisian daya yang digunakan untuk menulis ke memori flash. Beberapa die flash memiliki sebanyak 8 bidang.

Pada bulan Agustus 2017, kartu microSD dengan kapasitas hingga 400 GB (400 miliar byte) tersedia. Pada tahun yang sama, Samsung menggabungkan penumpukan chip IC 3D dengan teknologi 3D V-NAND dan TLC untuk memproduksi chip memori flash 512 GB KLUFG8R1EM dengan delapan chip V-NAND 64-lapis yang ditumpuk. Pada tahun 2019, Samsung memproduksi chip flash 1024 GB, dengan delapan chip V-NAND 96-lapis yang ditumpuk dan dengan teknologi QLC.

Disadur dari:en.wikipedia.org

 

Compact disc (CD) adalah format penyimpanan data cakram optik digital yang dikembangkan bersama oleh Philips dan Sony untuk menyimpan dan memutar rekaman audio digital. Compact disc pertama diproduksi pada bulan Agustus 1982, dan pertama kali dirilis di Jepang pada bulan Oktober 1982 sebagai Compact Disc Digital Audio. CD lebih ringkas daripada LaserDisc (LD) yang dikembangkan pada tahun 1970-an. CD memperoleh popularitas yang cepat pada tahun 1990-an. CD dengan cepat mengalahkan semua format audio lainnya di Amerika Serikat pada tahun 1991, mengakhiri dominasi pasar kaset. Pada tahun 2000, CD menyumbang 92,3% dari seluruh pangsa pasar dalam hal penjualan musik. CD dianggap sebagai format audio dominan terakhir dari era album, karena kemunculan MP3, iTunes, nada dering seluler, dan format musik yang dapat diunduh lainnya pada pertengahan tahun 2000-an mengakhiri dominasi CD selama satu dekade.

Format Audio Digital kemudian diadaptasi (sebagai CD-ROM) untuk penyimpanan data tujuan umum. Beberapa format lain kemudian diturunkan, termasuk penyimpanan audio dan data sekali tulis (CD-R), media yang dapat ditulis ulang (CD-RW), Video CD (VCD), Super Video CD (SVCD), CD Foto, CD Gambar, Compact Disc-Interaktif (CD-i), CD Musik yang Disempurnakan, dan Super Audio CD (SACD) yang mungkin memiliki lapisan CD-DA.

CD standar memiliki diameter 120 milimeter (4,7 inci) dan dirancang untuk menyimpan hingga 74 menit audio digital stereo yang tidak terkompresi atau sekitar 650 MiB (681.574.400 byte) data. Kapasitas dapat diperpanjang secara rutin hingga 80 menit dan 700 MiB (734.003.200 byte) dengan mengatur data lebih rapat pada disk berukuran sama. Mini CD memiliki berbagai diameter mulai dari 60 hingga 80 milimeter (2,4 hingga 3,1 inci); kadang-kadang digunakan untuk CD single, menyimpan hingga 24 menit audio, atau mengirimkan driver perangkat.

Pada saat teknologi ini diperkenalkan pada tahun 1982, sebuah CD dapat menyimpan lebih banyak data daripada hard disk drive komputer pribadi, yang biasanya dapat menampung 10 MiB. Pada tahun 2010, hard drive umumnya menawarkan ruang penyimpanan sebanyak seribu CD, sementara harganya anjlok ke tingkat komoditas. Pada tahun 2004, penjualan CD audio, CD-ROM, dan CD-R di seluruh dunia mencapai sekitar 30 miliar cakram. Pada tahun 2007, 200 miliar CD telah terjual di seluruh dunia.

Detail fisik

CD terbuat dari plastik polikarbonat setebal 1,2 milimeter (0,047 inci) dan beratnya 14-33 gram. Dari tengah ke luar, komponen-komponennya adalah: lubang spindel tengah (15 mm), area transisi pertama (cincin penjepit), area penjepit (cincin susun), area transisi kedua (pita cermin), area program (data), dan pelek. Area program bagian dalam menempati radius dari 25 hingga 58 mm.

Lapisan tipis aluminium atau, yang lebih jarang, emas diaplikasikan ke permukaan, membuatnya reflektif. Logam dilindungi oleh lapisan pernis yang biasanya dipintal langsung pada lapisan reflektif. Label dicetak pada lapisan pernis, biasanya dengan sablon atau cetak offset.

Data CD direpresentasikan sebagai lekukan kecil yang dikenal sebagai lubang, dikodekan dalam jalur spiral yang dibentuk di bagian atas lapisan polikarbonat. Area di antara lubang-lubang tersebut dikenal sebagai lahan. Setiap lubang memiliki kedalaman sekitar 100 nm dengan lebar 500 nm, dan panjangnya bervariasi dari 850 nm hingga 3,5 µm. Jarak antar lilitan (pitch) adalah 1,6 µm (diukur dari tengah ke tengah, bukan dari tepi ke tepi).

Saat memutar CD audio, motor di dalam pemutar CD memutar cakram dengan kecepatan pemindaian 1,2-1,4 m/s (kecepatan linier konstan, CLV) - setara dengan sekitar 500 RPM di bagian dalam cakram, dan sekitar 200 RPM di bagian tepi luar. Trek pada CD dimulai dari bagian dalam dan berputar ke arah luar, sehingga disk yang diputar dari awal hingga akhir akan memperlambat laju rotasinya selama pemutaran.

Area program adalah 86,05 cm2 dan panjang spiral yang dapat direkam adalah 86,05 cm2 / 1,6 µm = 5,38 km. Dengan kecepatan pemindaian 1,2 m/s, waktu pemutaran adalah 74 menit atau 650 MiB data pada CD-ROM. Disk dengan data yang dikemas sedikit lebih padat dapat ditoleransi oleh sebagian besar pemutar (meskipun beberapa pemutar lama gagal). Dengan menggunakan kecepatan linier 1,2 m/s dan track pitch yang lebih sempit yaitu 1,5 µm akan meningkatkan waktu pemutaran hingga 80 menit, dan kapasitas data hingga 700 MiB. Track yang lebih padat pun dimungkinkan, dengan cakram semi-standar 90 menit/800 MiB memiliki 1,33 µm, dan 99 menit/870 MiB memiliki 1,26 µm, tetapi kompatibilitasnya menurun seiring dengan meningkatnya kepadatan.

Ini adalah fotomikrograf dari lubang pada tepi bagian dalam CD-ROM; pencahayaan 2 detik di bawah cahaya neon yang terlihat. CD dibaca dengan memfokuskan laser semikonduktor dengan panjang gelombang 780 nm (inframerah dekat) melalui bagian bawah lapisan polikarbonat. Perubahan ketinggian antara lubang dan tanah menghasilkan perbedaan dalam cara cahaya dipantulkan. Karena lubang menjorok ke dalam lapisan atas cakram dan dibaca melalui dasar polikarbonat transparan, lubang membentuk tonjolan saat dibaca. Laser mengenai cakram, memancarkan lingkaran cahaya yang lebih lebar daripada jalur spiral termodulasi yang memantulkan sebagian dari tanah dan sebagian lagi dari bagian atas tonjolan jika ada. Saat laser melewati lubang (gundukan), ketinggiannya berarti bahwa jalur pulang pergi cahaya yang dipantulkan dari puncaknya adalah 1/2 panjang gelombang di luar fase dengan cahaya yang dipantulkan dari tanah di sekitarnya. Hal ini karena ketinggian gundukan sekitar 1/4 panjang gelombang cahaya yang digunakan, sehingga cahaya jatuh 1/4 di luar fase sebelum pemantulan dan 1/4 panjang gelombang lainnya di luar fase setelah pemantulan. Hal ini menyebabkan pembatalan sebagian pantulan laser dari permukaan. Dengan mengukur perubahan intensitas yang dipantulkan dengan fotodioda, sinyal termodulasi dibaca kembali dari cakram.

Untuk mengakomodasi pola spiral data, laser ditempatkan pada mekanisme bergerak di dalam baki cakram pemutar CD. Mekanisme ini biasanya berbentuk kereta luncur yang bergerak di sepanjang rel. Kereta luncur dapat digerakkan oleh roda gigi cacing atau motor linier. Jika menggunakan roda gigi cacing, motor linier kedua yang lebih pendek, dalam bentuk kumparan dan magnet, membuat penyesuaian posisi yang baik untuk melacak eksentrisitas pada disk dengan kecepatan tinggi. Beberapa drive CD (terutama yang diproduksi oleh Philips selama tahun 1980-an dan awal 1990-an) menggunakan lengan ayun yang mirip dengan yang terlihat pada gramofon.

Lubang dan tanah tidak secara langsung mewakili 0 dan 1 dari data biner. Sebagai gantinya, digunakan pengkodean terbalik yang tidak kembali ke nol: perubahan dari pit ke tanah atau tanah ke pit mengindikasikan angka 1, sementara tidak ada perubahan yang mengindikasikan serangkaian angka 0. Setidaknya harus ada dua, dan tidak lebih dari sepuluh angka 0 di antara setiap angka 1, yang ditentukan oleh panjang pit. Hal ini, pada gilirannya, diterjemahkan dengan membalikkan modulasi delapan hingga empat belas yang digunakan dalam menguasai disk, dan kemudian membalikkan pengkodean Reed-Solomon yang disisipkan secara silang, yang pada akhirnya mengungkapkan data mentah yang disimpan pada disk. Teknik pengodean ini (didefinisikan dalam Buku Merah) pada awalnya dirancang untuk CD Digital Audio, tetapi kemudian menjadi standar untuk hampir semua format CD (seperti CD-ROM).

Integritas

CD rentan terhadap kerusakan selama penanganan dan dari paparan lingkungan. Lubang-lubang lebih dekat ke sisi label disk, memungkinkan cacat dan kontaminan pada sisi yang jernih tidak fokus selama pemutaran. Akibatnya, CD lebih mungkin mengalami kerusakan pada sisi label disk. Goresan pada sisi bening dapat diperbaiki dengan mengisinya kembali dengan plastik bias yang serupa atau dengan pemolesan yang hati-hati. Tepi CD terkadang tidak tertutup rapat, sehingga memungkinkan gas dan cairan masuk ke dalam CD dan menimbulkan korosi pada lapisan reflektif logam dan/atau mengganggu fokus laser pada lubang, suatu kondisi yang dikenal sebagai pembusukan cakram. Jamur Geotrichum candidum telah ditemukan-dalam kondisi panas dan kelembaban tinggi-untuk mengkonsumsi plastik polikarbonat dan aluminium yang ditemukan dalam CD.

Integritas data pada cakram padat dapat diukur dengan menggunakan pemindaian kesalahan permukaan, yang dapat mengukur tingkat berbagai jenis kesalahan data, yang dikenal sebagai C1, C2, CU, dan pengukuran kesalahan yang diperluas (butiran yang lebih halus) yang dikenal sebagai E11, E12, E21, E22, E31, dan E32, yang mana tingkat yang lebih tinggi mengindikasikan permukaan data yang mungkin rusak atau tidak bersih, kualitas media yang rendah, media yang rusak, dan media yang dapat direkam yang ditulis oleh penulis CD yang tidak berfungsi.

Pemindaian kesalahan dapat secara andal memprediksi kehilangan data yang disebabkan oleh kerusakan media. Dukungan pemindaian kesalahan berbeda di antara vendor dan model drive cakram optik, dan pemindaian kesalahan yang diperluas (dikenal sebagai "pemindaian kesalahan tingkat lanjut" di Nero DiscSpeed) sejauh ini hanya tersedia di Plextor dan beberapa drive optik BenQ, pada tahun 2020.

Bentuk dan diameter disk

Data digital pada CD dimulai dari bagian tengah cakram dan berlanjut ke arah tepi, yang memungkinkan adaptasi ke berbagai ukuran yang tersedia. CD standar tersedia dalam dua ukuran. Sejauh ini, yang paling umum adalah berdiameter 120 milimeter (4,7 inci), dengan kapasitas audio 74, 80, 90, atau 99 menit dan kapasitas data 650, 700, 800, atau 870 MiB (737.280.000 byte). Cakram memiliki ketebalan 1,2 milimeter (0,047 inci), dengan lubang tengah 15 milimeter (0,59 inci). Ukuran lubang tersebut dipilih oleh Joop Sinjou dan didasarkan pada koin 10 sen Belanda: dubbeltje. Philips/Sony mematenkan dimensi fisiknya.

Sejarah resmi Philips mengatakan bahwa kapasitasnya ditentukan oleh eksekutif Sony, Norio Ohga, untuk dapat memuat keseluruhan Simfoni Kesembilan Beethoven dalam satu cakram.

Ini adalah mitos menurut Kees Immink, karena format kode EFM belum diputuskan pada bulan Desember 1979, ketika ukuran 120 mm diadopsi. Penggunaan EFM pada bulan Juni 1980 memungkinkan waktu pemutaran 30 persen lebih lama, sehingga menghasilkan 97 menit untuk diameter 120 mm atau 74 menit untuk cakram sekecil 100 milimeter (3,9 inci). Sebaliknya, densitas informasi diturunkan sebesar 30 persen untuk menjaga waktu pemutaran pada 74 menit. Diameter 120 mm telah diadopsi oleh format berikutnya, termasuk CD Super Audio, DVD, HD DVD, dan Blu-ray Disc. Cakram berdiameter 80 milimeter (3,1 inci) ("Mini CD") dapat menampung hingga 24 menit musik atau 210 MiB.

Format logis

CD Audio

Format logis CD audio (secara resmi Compact Disc Digital Audio atau CD-DA) dijelaskan dalam dokumen yang diproduksi pada tahun 1980 oleh pencipta bersama format tersebut, Sony dan Philips. Dokumen ini dikenal sehari-hari sebagai Buku Merah CD-DA sesuai dengan warna sampulnya. Formatnya adalah pengkodean PCM 16-bit dua saluran dengan laju sampling 44,1 kHz per saluran. Suara empat saluran seharusnya menjadi pilihan yang diperbolehkan dalam format Red Book, tetapi tidak pernah diimplementasikan. Audio monaural tidak memiliki standar yang ada pada CD Red Book; oleh karena itu, materi sumber mono biasanya disajikan sebagai dua saluran yang identik dalam track stereo Red Book standar (yaitu, mono yang dicerminkan); CD MP3, dapat memiliki format file audio dengan suara mono.

CD-Text adalah perpanjangan dari spesifikasi Red Book untuk CD audio yang memungkinkan penyimpanan informasi teks tambahan (misalnya, nama album, nama lagu, artis) pada CD audio yang sesuai dengan standar. Informasi ini disimpan di area lead-in CD, di mana tersedia ruang sekitar lima kilobyte atau di saluran subkode R ke W pada disk, yang dapat menyimpan sekitar 31 megabyte.

Compact Disc + Grafik adalah compact disc audio khusus yang berisi data grafik di samping data audio pada disc. Disk dapat diputar pada pemutar CD audio biasa, tetapi apabila diputar pada pemutar CD+G khusus, disk dapat mengeluarkan sinyal grafis (biasanya, pemutar CD+G dihubungkan ke pesawat televisi atau monitor komputer); grafis ini hampir secara eksklusif digunakan untuk menampilkan lirik pada pesawat televisi bagi para pemain karaoke untuk bernyanyi bersama. Format CD+G memanfaatkan saluran R hingga W. Keenam bit ini menyimpan informasi grafis.

CD + Extended Graphics (CD+EG, juga dikenal sebagai CD+XG) adalah varian yang lebih baik dari format Compact Disc + Graphics (CD+G). Seperti CD+G, CD+EG menggunakan fitur CD-ROM dasar untuk menampilkan informasi teks dan video sebagai tambahan dari musik yang sedang diputar. Data tambahan ini disimpan dalam saluran subkode R-W. Hanya sedikit, jika ada, cakram CD+EG yang telah diterbitkan.

CD Audio Super

Super Audio CD (SACD) adalah format cakram audio optik beresolusi tinggi dan hanya dapat dibaca yang dirancang untuk memberikan reproduksi audio digital dengan ketelitian yang lebih tinggi daripada Red Book. Diperkenalkan pada tahun 1999, format ini dikembangkan oleh Sony dan Philips, perusahaan yang sama yang menciptakan Red Book. SACD berada dalam perang format dengan DVD-Audio, tetapi tidak ada yang menggantikan CD audio. Standar SACD disebut sebagai standar Buku Merah.

Judul dalam format SACD dapat diterbitkan sebagai cakram hibrida; cakram ini berisi aliran audio SACD serta lapisan CD audio standar yang dapat diputar di pemutar CD standar, sehingga membuatnya kompatibel ke belakang.

CD-MIDI

CD-MIDI adalah format yang digunakan untuk menyimpan data performa musik, yang pada saat pemutaran dilakukan oleh instrumen elektronik yang mensintesis audio. Oleh karena itu, tidak seperti CD-DA Red Book yang asli, rekaman ini bukanlah rekaman audio yang diambil sampelnya secara digital. Format CD-MIDI didefinisikan sebagai perpanjangan dari Red Book asli.

CD-ROM

Selama beberapa tahun pertama keberadaannya, CD adalah media yang digunakan murni untuk audio. Pada tahun 1988, standar CD-ROM Buku Kuning ditetapkan oleh Sony dan Philips, yang mendefinisikan media penyimpanan data komputer data optik yang tidak mudah menguap menggunakan format fisik yang sama dengan cakram padat audio, yang dapat dibaca oleh komputer dengan drive CD-ROM.

CD Video

Video CD (VCD, View CD, dan Compact Disc digital video) adalah format digital standar untuk menyimpan media video pada CD. VCD dapat diputar di pemutar VCD khusus, sebagian besar pemutar DVD-Video modern, komputer pribadi, dan beberapa konsol permainan video. Standar VCD dibuat pada tahun 1993 oleh Sony, Philips, Matsushita, dan JVC dan disebut sebagai standar White Book.

Kualitas gambar secara keseluruhan dimaksudkan agar sebanding dengan video VHS. Video VCD yang dikompresi dengan buruk terkadang memiliki kualitas yang lebih rendah daripada video VHS, tetapi VCD menunjukkan artefak blok daripada noise analog dan tidak semakin memburuk setiap kali digunakan. Resolusi 352×240 (atau SIF) dipilih karena resolusi ini merupakan setengah dari resolusi vertikal dan setengah dari resolusi horizontal video NTSC. 352×288 adalah seperempat resolusi PAL/SECAM. Ini mendekati resolusi (keseluruhan) dari kaset VHS analog, yang meskipun memiliki dua kali lipat jumlah garis pemindaian (vertikal), namun memiliki resolusi horizontal yang jauh lebih rendah.

CD Video Super

Super Video CD (Super Video Compact Disc atau SVCD) adalah format yang digunakan untuk menyimpan media video pada cakram padat standar. SVCD dimaksudkan sebagai penerus VCD dan alternatif untuk DVD-Video dan berada di antara keduanya dalam hal kemampuan teknis dan kualitas gambar.

SVCD memiliki dua pertiga resolusi DVD, dan lebih dari 2,7 kali resolusi VCD. Satu keping CD-R dapat menyimpan hingga 60 menit video format SVCD berkualitas standar. Meskipun tidak ada batasan khusus pada panjang video SVCD yang diamanatkan oleh spesifikasi, namun kita harus menurunkan kecepatan bit video, dan oleh karena itu, kualitasnya, untuk mengakomodasi video yang sangat panjang. Biasanya sulit untuk memasukkan lebih dari 100 menit video ke dalam satu SVCD tanpa mengalami penurunan kualitas yang signifikan, dan banyak pemutar perangkat keras yang tidak dapat memutar video dengan kecepatan bit sesaat yang lebih rendah dari 300 hingga 600 kilobit per detik.

CD Foto

Photo CD adalah sistem yang didesain oleh Kodak untuk mendigitalkan dan menyimpan foto pada CD. Diluncurkan pada tahun 1992, cakram ini didesain untuk menyimpan hampir 100 gambar berkualitas tinggi, hasil pindaian cetakan, dan slide dengan menggunakan pengkodean khusus. CD foto didefinisikan dalam Beige Book dan sesuai dengan spesifikasi CD-ROM XA dan CD-i Bridge. CD ini dimaksudkan untuk diputar pada pemutar CD-i, pemutar CD Foto, dan komputer apa pun dengan perangkat lunak yang sesuai (tanpa menghiraukan sistem operasinya). Gambar juga dapat dicetak pada kertas foto dengan mesin Kodak khusus. Format ini tidak sama dengan Kodak Picture CD, yang merupakan produk konsumen dalam format CD-ROM.

CD-i

Philips Green Book menetapkan standar untuk cakram padat multimedia interaktif yang dirancang untuk pemutar CD-i (1993). Cakram CD-i dapat berisi trek audio yang dapat diputar pada pemutar CD biasa, namun cakram CD-i tidak kompatibel dengan sebagian besar drive dan perangkat lunak CD-ROM. Spesifikasi CD-i Ready kemudian dibuat untuk meningkatkan kompatibilitas dengan pemutar CD audio, dan spesifikasi CD-i Bridge ditambahkan untuk membuat cakram yang kompatibel dengan CD-i yang dapat diakses oleh drive CD-ROM biasa.

CD-i Siap

Philips menetapkan format yang mirip dengan CD-i yang disebut CD-i Ready, yang menempatkan perangkat lunak dan data CD-i ke dalam celah track 1. Format ini seharusnya lebih kompatibel dengan pemutar CD audio yang lebih lama.

CD Musik yang Disempurnakan (CD+)

Enhanced Music CD, juga dikenal sebagai CD Extra atau CD Plus, adalah format yang menggabungkan trek audio dan trek data pada disk yang sama dengan meletakkan trek audio pada sesi pertama dan data pada sesi kedua. Format ini dikembangkan oleh Philips dan Sony, dan didefinisikan dalam Blue Book.

VinylDisc

VinylDisc adalah gabungan dari CD audio standar dan piringan hitam. Lapisan vinil pada sisi label disk dapat menampung sekitar tiga menit musik.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Mikrokontroler(MC, UC, atau μC) atau unit mikrokontroler(MCU) adalah sebuah komputer kecil dalam sebuah sirkuit terpadu. Mikrokontroler berisi satu atau lebih CPU(inti prosesor) beserta memori dan periferal input/output yang dapat diprogram. Memori program dalam bentuk flash NOR, ROM OTP atau RAM feroelektrik juga sering disertakan pada chip, serta sejumlah kecil RAM. Mikrokontroler dirancang untuk aplikasi tertanam, berbeda dengan mikroprosesor yang digunakan di komputer pribadi atau aplikasi tujuan umum lainnya yang terdiri dari berbagai chip diskrit.

Dalam terminologi modern, mikrokontroler mirip dengan, tetapi kurang canggih dari, sistem pada chip (SoC). SoC dapat menyertakan mikrokontroler sebagai salah satu komponennya, tetapi biasanya mengintegrasikannya dengan periferal canggih seperti unit pemrosesan grafis (GPU), modul Wi-Fi, atau satu atau beberapa koprosesor.

Mikrokontroler digunakan dalam produk dan perangkat yang dikontrol secara otomatis, seperti sistem kontrol mesin mobil, perangkat medis implan, kendali jarak jauh, mesin kantor, peralatan, perkakas listrik, mainan, dan sistem tertanam lainnya. Dengan mengurangi ukuran dan biaya dibandingkan dengan desain yang menggunakan mikroprosesor, memori, dan perangkat input/output yang terpisah, mikrokontroler membuat kontrol digital untuk lebih banyak perangkat dan proses menjadi lebih praktis. Mikrokontroler sinyal campuran adalah hal yang umum, mengintegrasikan komponen analog yang diperlukan untuk mengontrol sistem elektronik non-digital. Dalam konteks internet of things, mikrokontroler adalah cara yang ekonomis dan populer untuk mengumpulkan data, merasakan, dan menggerakkan dunia fisik sebagai perangkat tepi.

Beberapa mikrokontroler dapat menggunakan kata empat-bit dan beroperasi pada frekuensi serendah 4 kHz untuk konsumsi daya yang rendah (satu digit miliwatt atau mikrowatt). Mereka umumnya memiliki kemampuan untuk mempertahankan fungsionalitas sambil menunggu peristiwa seperti penekanan tombol atau interupsi lainnya; konsumsi daya saat tidur (jam CPU dan sebagian besar periferal mati) mungkin hanya nanowatt, membuat banyak dari mereka sangat cocok untuk aplikasi baterai yang tahan lama. Mikrokontroler lain dapat melayani peran yang sangat penting dalam hal kinerja, di mana mereka mungkin perlu bertindak lebih seperti prosesor sinyal digital (DSP), dengan kecepatan clock dan konsumsi daya yang lebih tinggi.

Sejarah
Latar belakang

Mikroprosesor multi-chip pertama, Sistem Empat Fase AL1 pada tahun 1969 dan Garrett AiResearch MP944 pada tahun 1970, dikembangkan dengan beberapa chip MOS LSI. Mikroprosesor chip tunggal pertama adalah Intel 4004, yang dirilis dengan satu chip MOS LSI pada tahun 1971. Ini dikembangkan oleh Federico Faggin, menggunakan teknologi MOS gerbang silikon, bersama dengan insinyur Intel Marcian Hoff dan Stan Mazor, serta insinyur Busicom Masatoshi Shima. Diikuti oleh Intel 4040 4-bit, Intel 8008 8-bit, dan Intel 8080 8-bit. Semua prosesor ini membutuhkan beberapa chip eksternal untuk mengimplementasikan sistem kerja, termasuk memori dan chip antarmuka periferal. Akibatnya, total biaya sistem mencapai beberapa ratus dolar (1970-an AS), sehingga tidak memungkinkan untuk mengkomputerisasi peralatan kecil secara ekonomis.
MOS Technology memperkenalkan mikroprosesor di bawah 100 dolar pada tahun 1975, yaitu 6501 dan 6502. Tujuan utama mereka adalah untuk mengurangi hambatan biaya ini, tetapi mikroprosesor ini masih membutuhkan dukungan eksternal, memori, dan chip periferal yang membuat total biaya sistem mencapai ratusan dolar.

Pengembangan

Sebuah buku memberikan penghargaan kepada insinyur TI Gary Boone dan Michael Cochran atas keberhasilan pembuatan mikrokontroler pertama pada tahun 1971. Hasil karya mereka adalah TMS 1000, yang tersedia secara komersial pada tahun 1974. TMS 1000 menggabungkan memori hanya-baca, memori baca/tulis, prosesor, dan jam pada satu chip dan ditargetkan untuk sistem yang disematkan.

Selama awal hingga pertengahan 1970-an, produsen elektronik Jepang mulai memproduksi mikrokontroler untuk mobil, termasuk MCU 4-bit untuk hiburan di dalam mobil, wiper otomatis, kunci elektronik, dan dasbor, serta MCU 8-bit untuk kontrol mesin.

Sebagian sebagai tanggapan atas keberadaan chip tunggal TMS 1000, Intel mengembangkan sistem komputer pada chip yang dioptimalkan untuk aplikasi kontrol, Intel 8048, dengan suku cadang komersial yang pertama kali dikirim pada tahun 1977. Ini menggabungkan RAM dan ROM pada chip yang sama dengan mikroprosesor. Di antara berbagai aplikasi, chip ini pada akhirnya akan digunakan di lebih dari satu miliar keyboard PC. Pada saat itu Presiden Intel, Luke J. Valenter, menyatakan bahwa mikrokontroler merupakan salah satu produk paling sukses dalam sejarah perusahaan, dan dia meningkatkan anggaran divisi mikrokontroler lebih dari 25%.

Sebagian besar mikrokontroler pada waktu itu memiliki varian yang bersamaan. Salah satunya memiliki memori program EPROM, dengan jendela kuarsa transparan di tutup kemasan untuk memungkinkannya terhapus oleh paparan sinar ultraviolet. Chip yang dapat dihapus ini sering digunakan untuk pembuatan prototipe. Varian lainnya adalah ROM yang diprogram dengan topeng atau varian PROM yang hanya dapat diprogram satu kali. Untuk yang terakhir, kadang-kadang digunakan sebutan OTP, singkatan dari "dapat diprogram sekali". Dalam mikrokontroler OTP, PROM biasanya memiliki tipe yang identik dengan EPROM, tetapi paket chip tidak memiliki jendela kuarsa; karena tidak ada cara untuk mengekspos 

EPROM ke sinar ultraviolet, maka EPROM tidak dapat dihapus. Karena versi yang dapat dihapus memerlukan paket keramik dengan jendela kuarsa, maka harganya jauh lebih mahal daripada versi OTP, yang dapat dibuat dalam paket plastik buram yang lebih murah. Untuk varian yang dapat dihapus, kuarsa diperlukan, alih-alih kaca yang lebih murah, untuk transparansi terhadap sinar ultraviolet - yang sebagian besar kaca tidak tembus cahaya - tetapi pembeda biaya utama adalah paket keramik itu sendiri.
Pada tahun 1993, pengenalan memori EEPROM memungkinkan mikrokontroler (dimulai dengan Microchip PIC16C84) dihapus secara elektrik dengan cepat tanpa paket yang mahal seperti yang diperlukan untuk EPROM, memungkinkan pembuatan prototipe yang cepat dan pemrograman dalam sistem. (Teknologi EEPROM telah tersedia sebelum waktu ini, tetapi EEPROM sebelumnya lebih mahal dan kurang tahan lama, sehingga tidak cocok untuk mikrokontroler yang diproduksi secara massal dan berbiaya rendah). Pada tahun yang sama, Atmel memperkenalkan mikrokontroler pertama yang menggunakan memori Flash, sebuah tipe khusus dari EEPROM. Perusahaan-perusahaan lain dengan cepat mengikutinya, dengan kedua tipe memori tersebut.
Saat ini mikrokontroler sudah murah dan tersedia bagi para penghobi, dengan komunitas online yang besar di sekitar prosesor tertentu.

Volume dan biaya

Pada tahun 2002, sekitar 55% dari semua CPU yang terjual di dunia adalah mikrokontroler 8-bit dan mikroprosesor.
Lebih dari dua miliar mikrokontroler 8-bit terjual pada tahun 1997, dan menurut Semico, lebih dari empat miliar mikrokontroler 8-bit terjual pada tahun 2006. Baru-baru ini, Semico mengklaim pasar MCU tumbuh 36,5% pada tahun 2010 dan 12% pada tahun 2011.
Sebuah rumah di negara maju mungkin hanya memiliki empat mikroprosesor tujuan umum, namun memiliki sekitar tiga lusin mikrokontroler. Sebuah mobil kelas menengah memiliki sekitar 30 mikrokontroler. Mereka juga dapat ditemukan di banyak perangkat listrik seperti mesin cuci, oven microwave, dan telepon.

Secara historis, segmen 8-bit telah mendominasi pasar MCU [.] Mikrokontroler 16-bit menjadi kategori MCU dengan volume terbesar pada tahun 2011, menyalip perangkat 8-bit untuk pertama kalinya pada tahun tersebut [.] IC Insights percaya bahwa komposisi pasar MCU akan mengalami perubahan substansial dalam lima tahun ke depan dengan perangkat 32-bit yang secara mantap meraih pangsa penjualan dan volume unit yang lebih besar. Pada tahun 2017, MCU 32-bit diperkirakan akan mencapai 55% dari penjualan mikrokontroler [.] Dalam hal volume unit, MCU 32-bit diperkirakan akan mencapai 38% dari pengiriman mikrokontroler pada tahun 2017, sementara perangkat 16-bit akan mewakili 34% dari total, dan desain 4- / 8-bit diperkirakan akan mencapai 28% dari unit yang terjual pada tahun itu. Pasar MCU 32-bit diperkirakan akan tumbuh dengan cepat karena meningkatnya permintaan akan tingkat presisi yang lebih tinggi dalam sistem pemrosesan tertanam dan pertumbuhan konektivitas menggunakan Internet. [Dalam beberapa tahun ke depan, MCU 32-bit yang kompleks diperkirakan akan mencapai lebih dari 25% dari kekuatan pemrosesan dalam kendaraan.
-IC Insights, Pasar MCU di Jalur Migrasi ke Perangkat Berbasis 32-bit dan ARM

Biaya produksi bisa di bawah US$0,10 per unit.

Biaya telah menurun dari waktu ke waktu, dengan mikrokontroler 8-bit termurah tersedia dengan harga di bawah US $ 0,03 pada tahun 2018, dan beberapa mikrokontroler 32-bit sekitar US $ 1 untuk jumlah yang sama.

Pada tahun 2012, setelah krisis global - penurunan dan pemulihan penjualan tahunan terburuk yang pernah ada dan harga penjualan rata-rata dari tahun ke tahun anjlok 17% - penurunan terbesar sejak tahun 1980-an - harga rata-rata untuk mikrokontroler adalah US $ 0,88 (US $ 0,69 untuk 4 - 8-bit, US $ 0,59 untuk 16-bit, US $ 1,76 untuk 32-bit).

Pada tahun 2012, penjualan mikrokontroler 8-bit di seluruh dunia adalah sekitar US $ 4 miliar, sementara mikrokontroler 4-bit juga mengalami penjualan yang signifikan.

Pada tahun 2015, mikrokontroler 8-bit dapat dibeli dengan harga US$0,311 (1.000 unit), 16-bit dengan harga US$0,385 (1.000 unit), dan 32-bit dengan harga US$0,378 (1.000 unit, tetapi dengan harga US$0,35 untuk 5.000 unit).

Pada tahun 2018, mikrokontroler 8-bit dapat dibeli dengan harga US$0,03, 16-bit seharga US$0,393 (1.000 unit, tetapi dengan harga US$0,563 untuk 100 unit atau US$0,349 untuk 2.000 unit), dan 32-bit seharga US$0,503 (1.000 unit, tetapi dengan harga US$0,466 untuk 5.000 unit).

Pada tahun 2018, mikrokontroler dengan harga murah di atas dari tahun 2015 semuanya lebih mahal (dengan inflasi yang dihitung antara harga tahun 2018 dan 2015 untuk unit-unit tertentu) di: mikrokontroler 8-bit dapat dibeli dengan harga US $ 0,319 (1.000 unit) atau 2,6% lebih tinggi, mikrokontroler 16-bit dengan harga US $ 0,464 (1.000 unit) atau 21% lebih tinggi, dan mikrokontroler 32-bit dengan harga US $ 0,503 (1.000 unit, tetapi dengan harga US $ 0,466 untuk 5.000 unit) atau 33% lebih tinggi.

Komputer terkecil

Pada tanggal 21 Juni 2018, "komputer terkecil di dunia" diumumkan oleh Universitas Michigan. Perangkat ini adalah "sistem sensor nirkabel dan tanpa baterai 0,04 mm3 16 nW dengan prosesor Cortex-M0+ terintegrasi dan komunikasi optik untuk pengukuran suhu seluler." Alat ini "hanya berukuran 0,3 mm atau lebih kecil dari sebutir beras. [Selain RAM dan fotovoltaik, perangkat komputasi baru ini memiliki prosesor serta pemancar dan penerima nirkabel. Karena ukurannya yang terlalu kecil untuk memiliki antena radio konvensional, perangkat ini menerima dan mengirimkan data dengan cahaya tampak. Sebuah stasiun pangkalan menyediakan cahaya untuk daya dan pemrograman, dan menerima data." Perangkat ini berukuran 1⁄10 ukuran komputer berukuran dunia yang diklaim sebelumnya oleh IBM pada bulan Maret 2018, yang "lebih kecil dari sebutir garam", memiliki sejuta transistor, biaya pembuatannya kurang dari $ 0,10, dan, dikombinasikan dengan teknologi blockchain, dimaksudkan untuk logistik dan aplikasi sidik jari digital "kripto-jangkar".

Desain tertanam

Mikrokontroler dapat dianggap sebagai sistem mandiri dengan prosesor, memori, dan periferal dan dapat digunakan sebagai sistem tertanam. Mayoritas mikrokontroler yang digunakan saat ini tertanam di mesin lain, seperti mobil, telepon, peralatan, dan periferal untuk sistem komputer.

Meskipun beberapa sistem tertanam sangat canggih, banyak yang memiliki persyaratan minimal untuk memori dan panjang program, tanpa sistem operasi, dan kompleksitas perangkat lunak yang rendah. Perangkat input dan output yang umum termasuk sakelar, relay, solenoida, LED, layar kristal cair kecil atau khusus, perangkat frekuensi radio, dan sensor untuk data seperti suhu, kelembapan, tingkat cahaya, dll. Sistem tertanam biasanya tidak memiliki keyboard, layar, disk, printer, atau perangkat I/O lain yang dapat dikenali dari komputer pribadi, dan mungkin tidak memiliki perangkat interaksi manusia dalam bentuk apa pun.

Interupsi

Mikrokontroler harus memberikan respons waktu nyata (dapat diprediksi, meskipun tidak harus cepat) terhadap peristiwa dalam sistem tertanam yang mereka kendalikan. Ketika peristiwa tertentu terjadi, sistem interupsi dapat memberi sinyal kepada prosesor untuk menghentikan pemrosesan urutan instruksi saat ini dan memulai rutinitas layanan inter upsi (ISR, atau "penangan interupsi") yang akan melakukan pemrosesan apa pun yang diperlukan berdasarkan sumber interupsi, sebelum kembali ke urutan instruksi asli. Sumber interupsi yang mungkin terjadi bergantung pada perangkat dan sering kali mencakup peristiwa seperti timer internal yang meluap, menyelesaikan konversi analog ke digital, perubahan level logika pada input seperti dari tombol yang ditekan, dan data yang diterima pada tautan komunikasi. Jika konsumsi daya penting seperti pada perangkat baterai, interupsi juga dapat membangunkan mikrokontroler dari kondisi tidur berdaya rendah di mana prosesor dihentikan hingga diminta untuk melakukan sesuatu oleh peristiwa periferal.

Program 

Biasanya program mikrokontroler harus sesuai dengan memori on-chip yang tersedia, karena akan mahal untuk menyediakan sistem dengan memori eksternal yang dapat diupgrade. Kompiler dan perakit digunakan untuk mengubah kode bahasa tingkat tinggi dan bahasa rakitan menjadi kode mesin yang ringkas untuk disimpan dalam memori mikrokontroler. Tergantung pada perangkatnya, memori program dapat berupa memori permanen dan hanya-baca yang hanya dapat diprogram di pabrik, atau dapat berupa flash yang dapat diubah di lapangan atau memori hanya-baca yang dapat dihapus.

Produsen sering kali memproduksi versi khusus mikrokontroler mereka untuk membantu pengembangan perangkat keras dan perangkat lunak sistem target. Awalnya, ini termasuk versi EPROM yang memiliki "jendela" di bagian atas perangkat di mana memori program dapat dihapus oleh sinar ultraviolet, siap untuk diprogram ulang setelah pemrograman ("bakar") dan siklus pengujian. Sejak tahun 1998, versi EPROM sudah jarang digunakan dan telah digantikan oleh EEPROM dan flash, yang lebih mudah digunakan (dapat dihapus secara elektronik) dan lebih murah untuk diproduksi. Versi lain mungkin tersedia di mana ROM diakses sebagai perangkat eksternal dan bukan sebagai memori internal, namun hal ini menjadi langka karena ketersediaan pemrogram mikrokontroler yang murah.

Penggunaan perangkat yang dapat diprogram di lapangan pada pengontrol mikro memungkinkan pembaruan firmware di lapangan atau mengizinkan revisi pabrik yang terlambat untuk produk yang telah dirakit tetapi belum dikirim. Memori yang dapat diprogram juga mengurangi waktu tunggu yang diperlukan untuk penyebaran produk baru.

Di mana ratusan ribu perangkat identik diperlukan, menggunakan suku cadang yang diprogram pada saat pembuatan dapat menjadi ekonomis. Bagian-bagian "yangdiprogram dengan topeng" ini memiliki program yang ditetapkan dengan cara yang sama seperti logika chip, pada saat yang sama. Mikrokontroler yang disesuaikan menggabungkan blok logika digital yang dapat dipersonalisasi untuk kemampuan pemrosesan tambahan, periferal dan antarmuka yang disesuaikan dengan persyaratan aplikasi. Salah satu contohnya adalah AT91CAP dari Atmel.

Fitur mikrokontroler lainnya

Mikrokontroler biasanya memiliki beberapa hingga puluhan pin input/output(GPIO) untuk keperluan umum. Pin GPIO adalah perangkat lunak yang dapat dikonfigurasi ke status input atau output. Ketika pin GPIO dikonfigurasikan ke status input, pin tersebut sering digunakan untuk membaca sensor atau sinyal eksternal. Dikonfigurasi ke status output, pin GPIO dapat menggerakkan perangkat eksternal seperti LED atau motor, sering kali secara tidak langsung, melalui elektronika daya eksternal.
Banyak sistem tertanam perlu membaca sensor yang menghasilkan sinyal analog. Ini adalah tujuan dari konverter analog-ke-digital (ADC). Karena prosesor dibuat untuk menafsirkan dan memproses data digital, yaitu 1 dan 0, prosesor tidak dapat melakukan apa pun dengan sinyal analog yang mungkin dikirim ke prosesor oleh perangkat. Jadi, konverter analog-ke-digital digunakan untuk mengubah data yang masuk ke dalam bentuk yang dapat dikenali oleh prosesor. Fitur yang kurang umum pada beberapa mikrokontroler adalah konverter digital-ke-analog (DAC) yang memungkinkan prosesor mengeluarkan sinyal analog atau level tegangan.

Selain konverter, banyak mikroprosesor tertanam yang menyertakan berbagai pengatur waktu. Salah satu jenis pengatur waktu yang paling umum adalah pengatur waktu interval yang dapat diprogram (PIT). PIT dapat menghitung mundur dari suatu nilai ke nol, atau hingga kapasitas register penghitungan, meluap ke nol. Setelah mencapai nol, PIT akan mengirimkan interupsi ke prosesor yang mengindikasikan bahwa ia telah selesai menghitung. Hal ini berguna untuk perangkat seperti termostat, yang secara berkala menguji suhu di sekitar mereka untuk melihat apakah mereka perlu menyalakan/mematikan AC, pemanas, dll.
Blok modulasi lebar pulsa (PWM) khusus memungkinkan CPU untuk mengontrol konverter daya, beban resistif, motor, dll., tanpa menggunakan banyak sumber daya CPU dalam putaran pengatur waktu yang ketat.

Blok penerima/pemancar asinkron universal (UART) memungkinkan untuk menerima dan mengirim data melalui jalur serial dengan beban yang sangat kecil pada CPU. Perangkat keras on-chip khusus juga sering kali menyertakan kemampuan untuk berkomunikasi dengan perangkat lain (chip) dalam format digital seperti Inter-Integrated Circuit(I²C), Serial Peripheral Interface(SPI), Universal Serial Bus(USB), dan Ethernet.

Integrasi yang lebih tinggi

Mikrokontroler mungkin tidak mengimplementasikan alamat eksternal atau bus data karena mereka mengintegrasikan RAM dan memori non-volatile pada chip yang sama dengan CPU. Dengan menggunakan lebih sedikit pin, chip dapat ditempatkan dalam paket yang jauh lebih kecil dan lebih murah.

Mengintegrasikan memori dan periferal lain pada satu chip dan mengujinya sebagai satu unit akan meningkatkan biaya chip tersebut, tetapi sering kali menghasilkan penurunan biaya bersih sistem tertanam secara keseluruhan. Meskipun biaya CPU yang memiliki periferal terintegrasi sedikit lebih mahal daripada biaya CPU dan periferal eksternal, memiliki lebih sedikit chip biasanya memungkinkan papan sirkuit yang lebih kecil dan lebih murah, serta mengurangi tenaga kerja yang dibutuhkan untuk merakit dan menguji papan sirkuit, selain cenderung mengurangi tingkat cacat pada perakitan yang telah selesai.
Mikrokontroler adalah sirkuit terintegrasi tunggal, biasanya dengan fitur-fitur berikut:

• unit pemrosesan pusat - mulai dari prosesor 4-bit yang kecil dan sederhana hingga prosesor 32-bit atau 64-bit yang kompleks

• memori yang mudah menguap(RAM) untuk penyimpanan data

• ROM, EPROM, EEPROM, atau memori Flash untuk penyimpanan program dan parameter operasi

• bit input dan output diskrit, memungkinkan kontrol atau deteksi status logika dari masing-masing pin paket

• input / output serial seperti port serial(UART)

• antarmuka komunikasi serial lainnya seperti I²C, Antarmuka Periferal Serial, dan Jaringan Area Pengontrol untuk interkoneksi sistem

• periferal seperti pengatur waktu, penghitung peristiwa, generator PWM, dan pengawas

• generator jam - sering kali merupakan osilator untuk kristal waktu kuarsa, resonator, atau sirkuit RC

• banyak yang menyertakan konverter analog-ke-digital, beberapa menyertakan konverter digital-ke-analog

• pemrograman dalam sirkuit dan dukungan debugging dalam sirkuit    

Integrasi ini secara drastis mengurangi jumlah chip dan jumlah kabel serta ruang papan sirkuit yang diperlukan untuk menghasilkan sistem yang setara dengan menggunakan chip terpisah. Selain itu, pada perangkat dengan jumlah pin yang rendah khususnya, setiap pin dapat dihubungkan ke beberapa periferal internal, dengan fungsi pin yang dipilih oleh perangkat lunak. Hal ini memungkinkan suatu bagian untuk digunakan dalam berbagai aplikasi yang lebih luas daripada jika pin memiliki fungsi khusus.
Mikrokontroler telah terbukti sangat populer dalam sistem tertanam sejak diperkenalkan pada tahun 1970-an.

Beberapa mikrokontroler menggunakan arsitektur Harvard: bus memori terpisah untuk instruksi dan data, yang memungkinkan akses dilakukan secara bersamaan. Ketika arsitektur Harvard digunakan, kata instruksi untuk prosesor mungkin memiliki ukuran bit yang berbeda dari panjang memori internal dan register; sebagai contoh: instruksi 12-bit yang digunakan dengan register data 8-bit.
Keputusan tentang periferal mana yang akan diintegrasikan sering kali sulit. Vendor mikrokontroler sering kali memperdagangkan frekuensi operasi dan fleksibilitas desain sistem terhadap persyaratan waktu ke pasar dari pelanggan mereka dan biaya sistem yang lebih rendah secara keseluruhan. Produsen harus menyeimbangkan kebutuhan untuk meminimalkan ukuran chip dengan fungsionalitas tambahan.

Arsitektur mikrokontroler sangat bervariasi. Beberapa desain mencakup inti mikroprosesor tujuan umum, dengan satu atau lebih fungsi ROM, RAM, atau I/O yang terintegrasi ke dalam paket. Desain lainnya dibuat khusus untuk aplikasi kontrol. Set instruksi mikrokontroler biasanya memiliki banyak instruksi yang ditujukan untuk manipulasi bit (operasi bit-bijaksana) untuk membuat program kontrol lebih ringkas. Sebagai contoh, prosesor tujuan umum mungkin memerlukan beberapa instruksi untuk menguji bit dalam sebuah register dan bercabang jika bit tersebut di-set, di mana mikrokontroler dapat memiliki satu instruksi untuk menyediakan fungsi yang biasanya diperlukan.

Mikrokontroler secara historis tidak memiliki koprosesor matematika, sehingga aritmatika floating-point dilakukan oleh perangkat lunak. Namun, beberapa desain terbaru menyertakan FPU dan fitur yang dioptimalkan untuk DSP. Contohnya adalah lini berbasis PIC32 MIPS dari Microchip.

Lingkungan pemrograman

Mikrokontroler pada awalnya diprogram hanya dalam bahasa rakitan, tetapi berbagai bahasa pemrograman tingkat tinggi, seperti C, Python, dan JavaScript, sekarang juga digunakan secara umum untuk menargetkan mikrokontroler dan sistem tertanam. Kompiler untuk bahasa tujuan umum biasanya memiliki beberapa batasan serta peningkatan untuk lebih mendukung karakteristik unik mikrokontroler. Beberapa mikrokontroler memiliki lingkungan untuk membantu mengembangkan jenis aplikasi tertentu. Vendor mikrokontroler sering kali menyediakan alat yang tersedia secara bebas untuk mempermudah penggunaan perangkat keras mereka.

Mikrokontroler dengan perangkat keras khusus mungkin memerlukan dialek C non-standar mereka sendiri, seperti SDCC untuk 8051, yang mencegah penggunaan alat standar (seperti perpustakaan kode atau alat analisis statis) bahkan untuk kode yang tidak terkait dengan fitur perangkat keras. Interpreter juga dapat berisi fitur-fitur yang tidak standar, seperti MicroPython, meskipun sebuah fork, CircuitPython, telah berupaya memindahkan ketergantungan perangkat keras ke pustaka dan membuat bahasa tersebut mengikuti standar CPython yang lebih tinggi.

Firmware penerjemah juga tersedia untuk beberapa mikrokontroler. Sebagai contoh, BASIC pada mikrokontroler awal Intel 8052; BASIC dan FORTH pada Zilog Z8 serta beberapa perangkat modern. Biasanya penerjemah ini mendukung pemrograman interaktif.
Simulator tersedia untuk beberapa mikrokontroler. Simulator ini memungkinkan pengembang untuk menganalisa perilaku mikrokontroler dan program mereka jika mereka menggunakan bagian yang sebenarnya. Simulator akan menunjukkan status prosesor internal dan juga output, serta memungkinkan sinyal input dihasilkan. Meskipun di satu sisi sebagian besar simulator akan dibatasi karena tidak dapat mensimulasikan banyak perangkat keras lain dalam suatu sistem, simulator dapat melatih kondisi yang mungkin sulit direproduksi sesuka hati dalam implementasi fisik, dan dapat menjadi cara tercepat untuk men-debug dan menganalisis masalah.

Mikrokontroler terbaru sering diintegrasikan dengan sirkuit debug on-chip yang ketika diakses oleh emulator dalam sirkuit (ICE) melalui JTAG, memungkinkan debugging firmware dengan debugger. ICE waktu nyata dapat memungkinkan melihat dan/atau memanipulasi status internal saat berjalan. ICE penelusuran dapat merekam program yang dieksekusi dan status MCU sebelum/sesudah titik pemicu.

Jenis

Pada tahun 2008, ada beberapa lusin arsitektur dan vendor mikrokontroler termasuk:

• Prosesor inti ARM (banyak vendor)

  • Inti ARM Cortex-M secara khusus ditargetkan untuk aplikasi mikrokontroler

• Teknologi Microchip Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit), dan AT91SAM (32-bit)

• Inti M8C dari Cypress Semiconductor yang digunakan dalam Cypress PSoC mereka

• Freescale ColdFire (32-bit) dan S08 (8-bit)

• Freescale 68HC11 (8-bit), dan yang lainnya yang berbasis pada keluarga Motorola 6800

• Intel 8051, juga diproduksi oleh NXP Semiconductors, Infineon, dan banyak lainnya

• Infineon: 8-bit XC800, 16-bit XE166, 32-bit XMC4000 (Cortex M4F berbasis ARM), 32-bit TriCore dan, mikrokontroler Aurix Tricore Bit 32-bit

• Maxim Integrated MAX32600, MAX32620, MAX32625, MAX32630, MAX32650, MAX32640

• MIPS

• Teknologi Microchip PIC, (PIC16 8-bit, PIC18, dsPIC33 / PIC24 16-bit), (PIC32 32-bit)

• Semikonduktor NXP LPC1000, LPC2000, LPC3000, LPC4000 (32-bit), LPC900, LPC700 (8-bit)

• Baling-baling Paralaks

• PowerPC ISE

• Kelinci 2000 (8-bit)

• Renesas Electronics: RL78 16-bit MCU; RX 32-bit MCU; SuperH; V850 32-bit MCU; H8; R8C 16-bit MCU

• Laboratorium Silikon Mikrokontroler 8051 8-bit dan mikrokontroler 32-bit berbasis ARM dengan sinyal campuran

• STMicroelectronics STM8 (8-bit), ST10 (16-bit), STM32 (32-bit), SPC5 (32-bit otomotif)

• Texas Instruments TI MSP430 (16-bit), MSP432 (32-bit), C2000 (32-bit)

• Toshiba TLCS-870 (8-bit/16-bit)

Masih banyak lagi yang lainnya, beberapa di antaranya digunakan dalam rentang aplikasi yang sangat sempit atau lebih mirip prosesor aplikasi daripada mikrokontroler. Pasar mikrokontroler sangat terfragmentasi, dengan banyak vendor, teknologi, dan pasar. Perhatikan bahwa banyak vendor menjual atau telah menjual beberapa arsitektur.

Latensi interupsi

Berbeda dengan komputer serba guna, mikrokontroler yang digunakan dalam sistem tertanam sering kali berusaha mengoptimalkan latensi interupsi dibandingkan throughput instruksi. Masalahnya termasuk mengurangi latensi, dan membuatnya lebih dapat diprediksi (untuk mendukung kontrol waktu nyata).

Ketika sebuah perangkat elektronik menyebabkan interupsi, selama peralihan konteks, hasil peralihan (register) harus disimpan sebelum perangkat lunak yang bertanggung jawab untuk menangani interupsi dapat berjalan. Register tersebut juga harus dipulihkan setelah penangan interupsi selesai. Jika ada lebih banyak register prosesor, proses penyimpanan dan pemulihan ini mungkin membutuhkan lebih banyak waktu, meningkatkan latensi. (Jika ISR tidak memerlukan penggunaan beberapa register, ISR dapat membiarkannya daripada menyimpan dan mengembalikannya, sehingga dalam hal ini register-register tersebut tidak terlibat dengan latensi). Cara untuk mengurangi latensi konteks/pengembalian tersebut termasuk memiliki register yang relatif sedikit di unit pemrosesan pusat mereka (tidak diinginkan karena memperlambat sebagian besar pemrosesan non-interupsi secara substansial), atau setidaknya memiliki perangkat keras yang tidak menyimpan semuanya (ini gagal jika perangkat lunak kemudian perlu mengimbangi dengan menyimpan sisanya "secara manual"). Teknik lain adalah dengan menggunakan gerbang silikon pada "register bayangan": Satu atau lebih register duplikat yang hanya digunakan oleh perangkat lunak interupsi, mungkin mendukung tumpukan khusus. Faktor-faktor lain yang mempengaruhi latensi interupsi meliputi:

• Siklus yang dibutuhkan untuk menyelesaikan aktivitas CPU saat ini. Untuk meminimalkan biaya tersebut, mikrokontroler cenderung memiliki jalur pipa pendek (sering kali tiga instruksi atau kurang), buffer tulis kecil, dan memastikan bahwa instruksi yang lebih panjang dapat diteruskan atau dimulai ulang. Prinsip-prinsip desain RISC memastikan bahwa sebagian besar instruksi membutuhkan jumlah siklus yang sama, membantu menghindari kebutuhan akan sebagian besar logika kelanjutan/ulang.

• Panjang bagian kritis yang perlu diinterupsi. Masuk ke bagian kritis membatasi akses struktur data secara bersamaan. Ketika sebuah struktur data harus diakses oleh penangan interupsi, bagian kritis harus memblokir interupsi tersebut. Karenanya, latensi interupsi bertambah selama interupsi tersebut diblokir. Ketika ada batasan eksternal yang keras pada latensi sistem, pengembang sering membutuhkan alat untuk mengukur latensi interupsi dan melacak bagian kritis mana yang menyebabkan perlambatan.

  • Salah satu teknik yang umum digunakan adalah memblokir semua interupsi selama durasi bagian kritis tersebut. Hal ini mudah diimplementasikan, tetapi terkadang bagian kritis menjadi sangat lama.

  • Teknik yang lebih kompleks hanya memblokir interupsi yang mungkin memicu akses ke struktur data tersebut. Hal ini sering kali didasarkan pada prioritas interupsi, yang cenderung tidak sesuai dengan struktur data sistem yang relevan. Oleh karena itu, teknik ini banyak digunakan di lingkungan yang sangat terbatas.

  • Prosesor mungkin memiliki dukungan perangkat keras untuk beberapa bagian penting. Contohnya termasuk mendukung akses atomik ke bit atau byte dalam sebuah kata, atau primitif akses atomik lainnya seperti primitif akses eksklusif LDREX / STREX yang diperkenalkan dalam arsitektur ARMv6.

• Interupsi bersarang. Beberapa mikrokontroler mengizinkan interupsi dengan prioritas lebih tinggi untuk menginterupsi interupsi dengan prioritas lebih rendah. Hal ini memungkinkan perangkat lunak untuk mengelola latensi dengan memberikan interupsi yang sangat penting pada prioritas yang lebih tinggi (dan dengan demikian latensi yang lebih rendah dan lebih dapat diprediksi) daripada yang kurang penting.

• Tingkat pemicu. Ketika interupsi terjadi secara berurutan, mikrokontroler dapat menghindari siklus penyimpanan/pemulihan konteks ekstra dengan suatu bentuk optimasi tail call.

Mikrokontroler kelas bawah cenderung mendukung kontrol latensi interupsi yang lebih sedikit daripada mikrokontroler kelas atas.

Teknologi memori

Dua jenis memori yang berbeda biasanya digunakan dengan mikrokontroler, memori non-volatile untuk menyimpan firmware dan memori baca-tulis untuk data sementara.

Data

Dari mikrokontroler paling awal hingga saat ini, SRAM enam transistor hampir selalu digunakan sebagai memori baca/tulis, dengan beberapa transistor per bit yang digunakan dalam file register.

Selain SRAM, beberapa mikrokontroler juga memiliki EEPROM dan/atau NVRAM internal untuk penyimpanan data; dan mikrokontroler yang tidak memilikinya (seperti BASIC Stamp), atau di mana memori internal tidak mencukupi, sering kali dihubungkan ke EEPROM eksternal atau chip memori flash.

Beberapa mikrokontroler mulai tahun 2003 memiliki memori flash yang dapat diprogram sendiri.

Firmware 

Mikrokontroler paling awal menggunakan ROM topeng untuk menyimpan firmware. Mikrokontroler yang lebih baru (seperti versi awal Freescale 68HC11 dan mikrokontroler PIC awal) memiliki memori EPROM, yang menggunakan jendela tembus pandang untuk memungkinkan penghapusan melalui sinar UV, sementara versi produksi tidak memiliki jendela seperti itu, karena OTP (dapat diprogram sekali pakai). Pembaruan firmware setara dengan mengganti mikrokontroler itu sendiri, sehingga banyak produk yang tidak dapat diupgrade.

Motorola MC68HC805 adalah mikrokontroler pertama yang menggunakan EEPROM untuk menyimpan firmware. Mikrokontroler EEPROM menjadi lebih populer pada tahun 1993 ketika Microchip memperkenalkan PIC16C84 dan Atmel memperkenalkan mikrokontroler 8051-core yang merupakan mikrokontroler pertama yang menggunakan memori Flash NOR untuk menyimpan firmware. Mikrokontroler saat ini hampir semuanya menggunakan memori flash, dengan beberapa model yang menggunakan FRAM dan beberapa komponen yang sangat murah yang masih menggunakan OTP atau Mask ROM.

Disadur dari: en.wikipedia.org

 

Mikroprosesor adalah prosesor komputer yang logika pemrosesan data dan kontrolnya disertakan pada satu sirkuit terpadu (IC), atau sejumlah kecil IC. Mikroprosesor berisi sirkuit aritmatika, logika, dan kontrol yang diperlukan untuk menjalankan fungsi unit pemrosesan pusat (CPU) komputer. Mikroprosesor adalah sirkuit terpadu digital multiguna, berbasis clock, berbasis register, yang menerima data biner sebagai input, memprosesnya sesuai dengan instruksi yang tersimpan di memorinya, dan memberikan hasil (juga dalam bentuk biner) sebagai output. Mikroprosesor berisi logika kombinasional dan logika digital sekuensial, dan beroperasi pada angka dan simbol yang direpresentasikan dalam sistem bilangan biner.

Integrasi seluruh CPU ke dalam satu atau beberapa sirkuit terpadu menggunakan Integrasi Skala Sangat Besar (VLSI) sangat mengurangi biaya daya pemrosesan. Prosesor sirkuit terpadu diproduksi dalam jumlah besar dengan proses fabrikasi metal-oksida-semikonduktor (MOS) yang sangat otomatis, sehingga menghasilkan harga satuan yang relatif rendah. Prosesor chip tunggal meningkatkan keandalan karena ada lebih sedikit sambungan listrik yang dapat gagal. Seiring dengan meningkatnya desain mikroprosesor, biaya pembuatan chip (dengan komponen yang lebih kecil yang dibangun di atas chip semikonduktor dengan ukuran yang sama) pada umumnya tetap sama sesuai dengan hukum Rock.

Sebelum mikroprosesor, komputer kecil dibuat dengan menggunakan rak papan sirkuit dengan banyak sirkuit terintegrasi skala menengah dan kecil, biasanya dari jenis TTL. Mikroprosesor menggabungkan ini menjadi satu atau beberapa IC skala besar. Meskipun ada ketidaksepakatan tentang siapa yang pantas mendapatkan kredit atas penemuan mikroprosesor, mikroprosesor pertama yang tersedia secara komersial adalah Intel 4004, yang dirancang oleh Federico Faggin dan diperkenalkan pada tahun 1971.

Peningkatan kapasitas mikroprosesor yang terus berlanjut sejak saat itu membuat bentuk komputer lain hampir sepenuhnya usang (lihat sejarah perangkat keras komputasi), dengan satu atau lebih mikroprosesor yang digunakan dalam segala hal, mulai dari sistem tertanam dan perangkat genggam terkecil hingga komputer utama dan superkomputer terbesar.

Mikroprosesor berbeda dengan mikrokontroler termasuk sistem pada sebuah chip. Mikroprosesor terkait tetapi berbeda dengan prosesor sinyal digital.

Struktur

Kompleksitas sirkuit terpadu dibatasi oleh keterbatasan fisik pada jumlah transistor yang dapat dimasukkan ke dalam satu chip, jumlah terminasi paket yang dapat menghubungkan prosesor ke bagian lain dari sistem, jumlah interkoneksi yang dimungkinkan untuk dilakukan pada chip, dan panas yang dapat dihilangkan oleh chip. Kemajuan teknologi membuat chip yang lebih kompleks dan kuat menjadi layak untuk diproduksi.

Mikroprosesor hipotetis minimal mungkin hanya mencakup unit logika aritmatika (ALU), dan bagian logika kontrol. ALU melakukan penjumlahan, pengurangan, dan operasi seperti AND atau OR. Setiap operasi ALU menetapkan satu atau lebih flag dalam register status, yang menunjukkan hasil operasi terakhir (nilai nol, angka negatif, overflow, atau lainnya). Logika kontrol mengambil kode instruksi dari memori dan memulai urutan operasi yang diperlukan ALU untuk melaksanakan instruksi. Satu kode operasi dapat mempengaruhi banyak jalur data, register, dan elemen lain dari prosesor.

Seiring dengan kemajuan teknologi sirkuit terpadu, memungkinkan untuk membuat prosesor yang lebih kompleks pada satu chip. Ukuran objek data menjadi lebih besar; memungkinkan lebih banyak transistor pada sebuah chip yang memungkinkan ukuran kata meningkat dari kata 4 dan 8-bit hingga kata 64-bit saat ini. Fitur tambahan ditambahkan ke arsitektur prosesor; lebih banyak register dalam chip mempercepat program, dan instruksi yang rumit dapat digunakan untuk membuat program yang lebih ringkas. Aritmatika floating-point, misalnya, sering kali tidak tersedia pada mikroprosesor 8-bit, tetapi harus dilakukan dalam perangkat lunak. Integrasi unit floating-point, pertama sebagai sirkuit terintegrasi yang terpisah dan kemudian sebagai bagian dari chip mikroprosesor yang sama, mempercepat perhitungan floating-point.

Kadang-kadang, keterbatasan fisik sirkuit terpadu membuat praktik seperti pendekatan bit slice diperlukan. Alih-alih memproses semua kata yang panjang pada satu sirkuit terintegrasi, beberapa sirkuit secara paralel memproses subset dari setiap kata. Meskipun hal ini membutuhkan logika tambahan untuk menangani, misalnya, carry dan overflow dalam setiap irisan, hasilnya adalah sistem yang dapat menangani, misalnya, kata 32-bit menggunakan sirkuit terintegrasi dengan kapasitas hanya empat bit.

Kemampuan untuk menempatkan transistor dalam jumlah besar pada satu chip membuatnya memungkinkan untuk mengintegrasikan memori pada die yang sama dengan prosesor. Cache CPU ini memiliki keunggulan akses yang lebih cepat daripada memori off-chip dan meningkatkan kecepatan pemrosesan sistem untuk banyak aplikasi. Frekuensi clock prosesor telah meningkat lebih cepat daripada kecepatan memori eksternal, sehingga memori cache diperlukan jika prosesor tidak ingin ditunda oleh memori eksternal yang lebih lambat.

Desain beberapa prosesor telah menjadi cukup rumit sehingga sulit untuk diuji sepenuhnya, dan hal ini telah menyebabkan masalah pada penyedia cloud yang besar.

Desain tujuan khusus

Mikroprosesor adalah entitas serba guna. Beberapa perangkat pemrosesan khusus telah menyusul:

• Prosesor sinyal digital (DSP) dikhususkan untuk pemrosesan sinyal.

• Unit pemrosesan grafis (GPU) adalah prosesor yang dirancang terutama untuk rendering gambar secara real-time.

• Unit khusus lainnya ada untuk pemrosesan video dan visi mesin.

• Mikrokontroler dalam sistem tertanam dan perangkat periferal.

• Sistem pada chip (SoC) sering kali mengintegrasikan satu atau lebih inti mikroprosesor dan mikrokontroler dengan komponen lain seperti modem radio, dan digunakan pada ponsel cerdas dan komputer tablet.

Pertimbangan kecepatan dan daya

Mikroprosesor dapat dipilih untuk aplikasi yang berbeda berdasarkan ukuran kata, yang merupakan ukuran kompleksitasnya. Ukuran kata yang lebih panjang memungkinkan setiap siklus clock prosesor untuk melakukan lebih banyak komputasi, tetapi sesuai dengan sirkuit terpadu yang secara fisik lebih besar dengan konsumsi daya siaga dan operasi yang lebih tinggi. Prosesor 4, 8, atau 12-bit secara luas diintegrasikan ke dalam mikrokontroler yang mengoperasikan sistem yang disematkan. Di mana sistem diharapkan menangani volume data yang lebih besar atau memerlukan antarmuka pengguna yang lebih fleksibel, prosesor 16, 32, atau 64-bit digunakan. Prosesor 8- atau 16-bit dapat dipilih daripada prosesor 32-bit untuk sistem pada chip atau aplikasi mikrokontroler yang membutuhkan elektronik berdaya sangat rendah, atau merupakan bagian dari sirkuit terpadu sinyal campuran dengan elektronik analog dalam chip yang peka terhadap kebisingan seperti konverter analog ke digital resolusi tinggi, atau keduanya. Beberapa orang mengatakan bahwa menjalankan aritmatika 32-bit pada chip 8-bit dapat menggunakan lebih banyak daya, karena chip harus menjalankan perangkat lunak dengan banyak instruksi. Namun, yang lain mengatakan bahwa chip 8-bit modern selalu lebih hemat daya daripada chip 32-bit saat menjalankan rutinitas perangkat lunak yang setara.

Aplikasi yang disematkan

Ribuan item yang secara tradisional tidak berhubungan dengan komputer termasuk mikroprosesor. Ini termasuk peralatan rumah tangga, kendaraan (dan aksesorinya), alat dan instrumen uji, mainan, sakelar/peredup lampu dan pemutus sirkuit listrik, alarm asap, kemasan baterai, dan komponen audio/visual hi-fi (mulai dari pemutar DVD hingga meja putar piringan hitam). Produk seperti telepon seluler, sistem video DVD, dan sistem siaran HDTV pada dasarnya membutuhkan perangkat konsumen dengan mikroprosesor yang kuat dan murah. Standar pengendalian polusi yang semakin ketat secara efektif mengharuskan produsen mobil untuk menggunakan sistem manajemen mesin mikroprosesor untuk memungkinkan pengendalian emisi yang optimal pada kondisi pengoperasian mobil yang sangat bervariasi. Kontrol yang tidak dapat diprogram akan membutuhkan implementasi yang besar, atau mahal untuk mencapai hasil yang mungkin dicapai dengan mikroprosesor.

Program kontrol mikroprosesor(perangkat lunak tertanam) dapat disesuaikan agar sesuai dengan kebutuhan lini produk, sehingga memungkinkan peningkatan kinerja dengan desain ulang produk yang minimal. Fitur unik dapat diimplementasikan dalam berbagai model lini produk dengan biaya produksi yang dapat diabaikan.

Kontrol mikroprosesor pada suatu sistem dapat memberikan strategi kontrol yang tidak praktis untuk diterapkan menggunakan kontrol elektromekanis atau kontrol elektronik yang dibuat khusus. Sebagai contoh, sistem kontrol mesin pembakaran internal dapat menyesuaikan waktu pengapian berdasarkan kecepatan mesin, beban, suhu, dan kecenderungan knocking yang teramati-memungkinkan mesin beroperasi pada berbagai tingkat bahan bakar.

Sejarah

Munculnya komputer berbiaya rendah pada sirkuit terpadu telah mengubah masyarakat modern. Mikroprosesor serba guna pada komputer pribadi digunakan untuk komputasi, pengeditan teks, tampilan multimedia, dan komunikasi melalui Internet. Banyak lagi mikroprosesor yang merupakan bagian dari sistem tertanam, yang menyediakan kontrol digital atas banyak sekali objek mulai dari peralatan, mobil, telepon seluler, dan kontrol proses industri. Mikroprosesor melakukan operasi biner berdasarkan logika Boolean, yang diambil dari nama George Boole. Kemampuan untuk mengoperasikan sistem komputer menggunakan Logika Boolean pertama kali dibuktikan dalam tesis tahun 1938 oleh mahasiswa master Claude Shannon, yang kemudian menjadi profesor. Shannon dianggap sebagai "Bapak Teori Informasi". Pada tahun 1951, Microprogramming ditemukan oleh Maurice Wilkes di University of Manchester, Inggris, dari kesadaran bahwa prosesor pusat dapat dikontrol oleh program khusus dalam ROM khusus. Wilkes juga dikreditkan dengan ide label simbolik, makro, dan perpustakaan subrutin.

Mengikuti pengembangan chip sirkuit terpadu MOS pada awal 1960-an, chip MOS mencapai kepadatan transistor yang lebih tinggi dan biaya produksi yang lebih rendah daripada sirkuit terpadu bipolar pada tahun 1964. Chip MOS semakin meningkat dalam kompleksitas pada tingkat yang diprediksi oleh hukum Moore, yang mengarah pada integrasi skala besar (LSI) dengan ratusan transistor pada satu chip MOS pada akhir 1960-an. Penerapan chip MOS LSI pada komputasi adalah dasar dari mikroprosesor pertama, karena para insinyur mulai menyadari bahwa prosesor komputer yang lengkap dapat dimuat dalam beberapa chip MOS LSI. Para perancang pada akhir tahun 1960-an berusaha keras untuk mengintegrasikan fungsi central processing unit (CPU) komputer ke dalam beberapa chip MOS LSI, yang disebut chipset unit mikroprosesor (MPU).

Meskipun ada ketidaksepakatan mengenai siapa yang menemukan mikroprosesor, mikroprosesor pertama yang tersedia secara komersial adalah Intel 4004, yang dirilis sebagai chip MOS LSI tunggal pada tahun 1971. Mikroprosesor chip tunggal ini dimungkinkan dengan pengembangan teknologi gerbang silikon MOS (SGT). Transistor MOS yang paling awal memiliki gerbang logam aluminium, yang kemudian digantikan oleh fisikawan Italia, Federico Faggin, dengan gerbang silikon yang dapat disejajarkan sendiri untuk mengembangkan chip MOS gerbang silikon pertama di Fairchild Semiconductor pada tahun 1968.  Faggin kemudian bergabung dengan Intel dan menggunakan teknologi MOS gerbang silikonnya untuk mengembangkan 4004, bersama dengan Marcian Hoff, Stanley Mazor, dan Masatoshi Shima pada tahun 1971. 4004 dirancang untuk Busicom, yang sebelumnya telah mengusulkan desain multi-chip pada tahun 1969, sebelum tim Faggin di Intel mengubahnya menjadi desain chip tunggal yang baru. Intel memperkenalkan mikroprosesor komersial pertama, Intel 4004 4-bit, pada tahun 1971. Kemudian disusul dengan mikroprosesor 8-bit Intel 8008 pada tahun 1972. Chipset MP944 yang digunakan di F-14 Central Air Data Computer pada tahun 1970 juga disebut-sebut sebagai mikroprosesor awal, tetapi tidak diketahui publik sampai dideklasifikasi pada tahun 1998.

Penggunaan mikroprosesor 4-bit dan 8-bit lainnya yang tertanam, seperti terminal, printer, berbagai jenis otomatisasi, dan lain-lain, segera menyusul setelahnya. Mikroprosesor 8-bit yang terjangkau dengan pengalamatan 16-bit juga menghasilkan mikrokomputer serba guna pertama sejak pertengahan 1970-an.

Penggunaan pertama istilah "mikroprosesor" dikaitkan dengan Viatron Computer Systems yang menggambarkan sirkuit terintegrasi khusus yang digunakan dalam sistem komputer kecil System 21 yang diumumkan pada tahun 1968.

Sejak awal tahun 1970-an, peningkatan kapasitas mikroprosesor telah mengikuti hukum Moore; hukum ini pada awalnya menyatakan bahwa jumlah komponen yang dapat dipasang pada sebuah chip meningkat dua kali lipat setiap tahunnya. Dengan teknologi saat ini, sebenarnya setiap dua tahun sekali, [sumber usang] dan akibatnya Moore kemudian mengubah periode tersebut menjadi dua tahun sekali.

Proyek pertama

Proyek-proyek ini menghasilkan mikroprosesor pada waktu yang hampir bersamaan: Central Air Data Computer (CADC) Garrett AiResearch(1970), TMS 1802NC dari Texas Instruments(September 1971), dan 4004 dari Intel(November 1971, berdasarkan rancangan Busicom tahun 1969). Bisa dibilang, mikroprosesor Four-Phase Systems AL1 juga diluncurkan pada tahun 1969.

Sistem Empat Fase AL1 (1969)

Four-Phase Systems AL1 adalah chip irisan bit 8-bit yang berisi delapan register dan ALU. Ini dirancang oleh Lee Boysel pada tahun 1969.  Pada saat itu, ini merupakan bagian dari sembilan chip, CPU 24-bit dengan tiga AL1. Kemudian disebut mikroprosesor ketika, sebagai tanggapan atas litigasi tahun 1990-an oleh Texas Instruments, Boysel membangun sistem demonstrasi di mana satu AL1 menjadi bagian dari sistem komputer demonstrasi ruang sidang, bersama dengan RAM, ROM, dan perangkat input-output.

Garrett AiResearch CADC (1970)

Pada tahun 1968, Garrett AiResearch (yang mempekerjakan desainer Ray Holt dan Steve Geller) diundang untuk memproduksi komputer digital untuk bersaing dengan sistem elektromekanis yang saat itu sedang dikembangkan untuk komputer kontrol penerbangan utama di pesawat tempur F-14 Tomcat Angkatan Laut AS yang baru. Desain ini selesai pada tahun 1970, dan menggunakan chipset berbasis MOS sebagai CPU inti. Desainnya secara signifikan (sekitar 20 kali) lebih kecil dan jauh lebih dapat diandalkan daripada sistem mekanis yang menjadi saingannya dan digunakan pada semua model Tomcat awal. Sistem ini berisi " multi-mikroprosesor paralel 20-bit, pipa, dan paralel ". Angkatan Laut menolak untuk mengizinkan publikasi desain sampai tahun 1997. Dirilis pada tahun 1998, dokumentasi tentang CADC, dan chipset MP944, sangat terkenal. Kisah otobiografi Ray Holt tentang desain dan pengembangan ini disajikan dalam buku ini: Insinyur yang tidak disengaja (The Accidental Engineer).

Ray Holt lulus dari California State Polytechnic University, Pomona pada tahun 1968, dan memulai karier desain komputernya dengan CADC. Sejak awal, proyek ini diselimuti kerahasiaan hingga tahun 1998, ketika atas permintaan Holt, Angkatan Laut AS mengizinkan dokumen-dokumen tersebut masuk ke dalam domain publik. Holt mengklaim bahwa tidak ada yang membandingkan mikroprosesor ini dengan mikroprosesor yang muncul setelahnya. Menurut Parab dkk. (2007),

Makalah dan literatur ilmiah yang diterbitkan sekitar tahun 1971 mengungkapkan bahwa prosesor digital MP944 yang digunakan untuk pesawat F-14 Tomcat Angkatan Laut AS memenuhi syarat sebagai mikroprosesor pertama. Meskipun menarik, prosesor ini bukanlah prosesor chip tunggal, seperti halnya Intel 4004 - keduanya lebih seperti sekumpulan blok bangunan paralel yang dapat Anda gunakan untuk membuat bentuk serba guna. Ini berisi CPU, RAM, ROM, dan dua chip pendukung lainnya seperti Intel 4004. Itu dibuat dari teknologi P-channel yang sama, dioperasikan pada spesifikasi militer dan memiliki chip yang lebih besar - desain rekayasa komputer yang sangat baik menurut standar apa pun. Desainnya menunjukkan kemajuan besar atas Intel, dan dua tahun sebelumnya. Ini benar-benar bekerja dan terbang di F-14 ketika Intel 4004 diumumkan. Hal ini menunjukkan bahwa tema industri saat ini tentang konvergensi arsitektur DSP-mikrokontroler telah dimulai pada tahun 1971.

Konvergensi arsitektur DSP dan mikrokontroler ini dikenal sebagai pengontrol sinyal digital.

Gilbert Hyatt (1970)

Pada tahun 1990, insinyur Amerika Gilbert Hyatt dianugerahi Paten AS No. 4,942,516, yang didasarkan pada komputer serial 16-bit yang dibuatnya di rumahnya di Northridge, California, pada tahun 1969 dari papan chip bipolar setelah berhenti bekerja di Teledyne pada tahun 1968; meskipun paten telah diajukan pada bulan Desember 1970 dan sebelum pengarsipan Texas Instruments untuk TMX 1795 dan TMS 0100, penemuan Hyatt tidak pernah diproduksi.    Meskipun demikian, hal ini menyebabkan klaim bahwa Hyatt adalah penemu mikroprosesor dan pembayaran royalti yang substansial melalui anak perusahaan Philips N.V.,  hingga Texas Instruments menang dalam pertarungan hukum yang rumit pada tahun 1996, ketika Kantor Paten A.S. membatalkan paten tersebut. A. Kantor Paten A.S. membatalkan bagian-bagian penting dari paten tersebut, sementara mengizinkan Hyatt untuk mempertahankannya. Hyatt mengatakan dalam sebuah artikel Los Angeles Times tahun 1990 bahwa penemuannya akan tercipta jika calon investornya mendukungnya, dan bahwa investor ventura membocorkan rincian chipnya kepada industri, meskipun dia tidak menjelaskan dengan bukti untuk mendukung klaim ini. [Dalam artikel  yang sama, penulis The Chip, T.R. Reid, dikutip mengatakan bahwa para sejarawan pada akhirnya dapat menempatkan Hyatt sebagai salah satu penemu mikroprosesor, seperti halnya Noyce dari Intel dan Kilby dari TI yang berbagi pujian atas penemuan chip pada tahun 1958: "Kilby mendapatkan idenya terlebih dahulu, namun Noyce membuatnya menjadi praktis. Keputusan hukum akhirnya memenangkan Noyce, tetapi mereka dianggap sebagai penemu bersama. Hal yang sama bisa terjadi di sini." Hyatt kemudian bertarung dalam pertarungan hukum selama beberapa dekade dengan negara bagian California atas dugaan pajak yang belum dibayar atas rejeki nomplok patennya setelah tahun 1990, yang kemudian berujung pada kasus penting di Mahkamah Agung yang membahas kekebalan kedaulatan negara bagian dalam Franchise Tax Board of California v. Hyatt (2019).

Texas Instruments TMX 1795 (1970-1971)

Bersama dengan Intel (yang mengembangkan 8008), Texas Instruments mengembangkan pada tahun 1970-1971 pengganti CPU satu chip untuk terminal Datapoint 2200, TMX 1795 (kemudian TMC 1795.) Seperti 8008, itu ditolak oleh pelanggan Datapoint. Menurut Gary Boone, TMX 1795 tidak pernah mencapai tahap produksi. Namun, ia mencapai kondisi prototipe yang berfungsi pada 24 Februari 1971, oleh karena itu ia merupakan mikroprosesor 8-bit pertama di dunia. Karena dibuat dengan spesifikasi yang sama, set instruksinya sangat mirip dengan Intel 8008.

Texas Instruments TMS 1802NC (1971)

TMS1802NC diumumkan pada tanggal 17 September 1971, dan mengimplementasikan kalkulator empat fungsi. TMS1802NC, terlepas dari peruntukannya, bukanlah bagian dari seri TMS 1000; kemudian didesain ulang sebagai bagian dari seri TMS 0100, yang digunakan dalam kalkulator TI Datamath. Meskipun dipasarkan sebagai kalkulator pada chip, TMS1802NC sepenuhnya dapat diprogram, termasuk pada chip CPU dengan kata instruksi 11-bit, 3520 bit (320 instruksi) ROM, dan 182 bit RAM.

Disadur dari: en.wikipedia.org