Transistor adalah perangkat semikonduktor yang digunakan untuk memperkuat atau mengalihkan sinyal listrik dan daya. Transistor adalah salah satu blok bangunan dasar elektronik modern. Transistor terdiri dari bahan semikonduktor, biasanya dengan setidaknya tiga terminal untuk koneksi ke sirkuit elektronik. Tegangan atau arus yang diterapkan pada sepasang terminal transistor mengontrol arus melalui sepasang terminal lainnya. Karena daya yang dikendalikan (output) bisa lebih tinggi daripada daya pengendali (input), transistor dapat memperkuat sinyal. Beberapa transistor dikemas secara individual, tetapi lebih banyak lagi dalam bentuk miniatur yang ditemukan tertanam dalam sirkuit terpadu. Karena transistor adalah komponen aktif utama dalam hampir semua elektronik modern, banyak orang menganggapnya sebagai salah satu penemuan terbesar abad ke-20.

Fisikawan Julius Edgar Lilienfeld mengusulkan konsep transistor efek medan (FET) pada tahun 1926, tetapi pada saat itu belum memungkinkan untuk membuat perangkat yang berfungsi. Perangkat pertama yang berfungsi adalah transistor kontak-titik yang ditemukan pada tahun 1947 oleh fisikawan John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley di Bell Labs; ketiganya berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 1956 untuk pencapaian mereka.  Jenis transistor yang paling banyak digunakan adalah transistor efek medan semikonduktor oksida-logam (MOSFET), yang ditemukan oleh Mohamed Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs pada tahun 1959.  Transistor merevolusi bidang elektronika dan membuka jalan bagi radio, kalkulator, komputer, dan perangkat elektronik lainnya yang lebih kecil dan lebih murah.

Sebagian besar transistor dibuat dari silikon yang sangat murni, dan beberapa dari germanium, tetapi bahan semikonduktor tertentu lainnya kadang-kadang digunakan. Sebuah transistor mungkin hanya memiliki satu jenis pembawa muatan dalam transistor efek medan, atau mungkin memiliki dua jenis pembawa muatan dalam perangkat transistor persimpangan bipolar. Dibandingkan dengan tabung vakum, transistor umumnya lebih kecil dan membutuhkan lebih sedikit daya untuk beroperasi. Tabung vakum tertentu memiliki keunggulan dibandingkan transistor pada frekuensi operasi yang sangat tinggi atau tegangan operasi yang tinggi, seperti tabung gelombang perjalanan dan Gyrotron. Banyak jenis transistor yang dibuat dengan spesifikasi standar oleh beberapa produsen.

Sejarah

Triode termionik, tabung vakum yang ditemukan pada tahun 1907, memungkinkan teknologi radio yang diperkuat dan telepon jarak jauh. Akan tetapi, triode ini merupakan perangkat yang rapuh dan mengkonsumsi daya yang besar. Pada tahun 1909, fisikawan William Eccles menemukan osilator dioda kristal. Fisikawan Julius Edgar Lilienfeld mengajukan paten untuk transistor efek medan (FET) di Kanada pada tahun 1925, yang dimaksudkan sebagai pengganti solid-state untuk triode. Dia mengajukan paten yang sama di Amerika Serikat pada tahun 1926  dan 1928. Namun, ia tidak menerbitkan artikel penelitian tentang perangkatnya dan juga tidak mengutip contoh spesifik prototipe yang berfungsi. Karena produksi bahan semikonduktor berkualitas tinggi masih beberapa dekade lagi, ide penguat solid-state Lilienfeld tidak akan menemukan penggunaan praktis pada tahun 1920-an dan 1930-an, bahkan jika perangkat semacam itu telah dibuat. Pada tahun 1934, penemu Oskar Heil mematenkan perangkat yang serupa di Eropa.

Transistor bipolar

Dari 17 November hingga 23 Desember 1947, John Bardeen dan Walter Brattain di Bell Labs AT&T di Murray Hill, New Jersey, melakukan eksperimen dan mengamati bahwa ketika dua kontak titik emas diterapkan pada kristal germanium, sebuah sinyal dihasilkan dengan daya output lebih besar dari input. Pemimpin Solid State Physics Group William Shockley melihat potensi dalam hal ini, dan selama beberapa bulan ke depan bekerja untuk memperluas pengetahuan semikonduktor. Istilah transistor diciptakan oleh John R. Pierce sebagai kontraksi dari istilah transresistensi. Menurut Lillian Hoddeson dan Vicki Daitch, Shockley mengusulkan agar paten pertama Bell Labs untuk transistor harus didasarkan pada efek medan dan dia dinamai sebagai penemunya. Setelah menemukan paten Lilienfeld yang tidak jelas beberapa tahun sebelumnya, para pengacara di Bell Labs menyarankan agar usulan Shockley tidak diterima karena ide transistor efek medan yang menggunakan medan listrik sebagai "kisi-kisi" bukanlah hal yang baru. Sebaliknya, apa yang ditemukan oleh Bardeen, Brattain, dan Shockley pada tahun 1947 adalah transistor kontak-titik pertama. Untuk mengakui pencapaian ini, Shockley, Bardeen, dan Brattain bersama-sama menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1956 "untuk penelitian mereka tentang semikonduktor dan penemuan mereka tentang efek transistor."

Tim Shockley pada awalnya mencoba membangun transistor efek medan (FET) dengan mencoba memodulasi konduktivitas semikonduktor, tetapi tidak berhasil, terutama karena masalah pada kondisi permukaan, ikatan yang menjuntai, dan bahan senyawa germanium dan tembaga. Mencoba memahami alasan misterius di balik kegagalan ini, mereka malah menciptakan transistor kontak-titik dan persimpangan bipolar.

Pada tahun 1948, transistor kontak-titik ditemukan secara independen oleh fisikawan Herbert Mataré dan Heinrich Welker ketika bekerja di Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse, anak perusahaan Westinghouse di Paris. Mataré memiliki pengalaman sebelumnya dalam mengembangkan penyearah kristal dari silikon dan germanium dalam upaya radar Jerman selama Perang Dunia II. Dengan pengetahuan ini, ia mulai meneliti fenomena "interferensi" pada tahun 1947. Pada bulan Juni 1948, dengan menyaksikan arus yang mengalir melalui kontak-titik, dia memberikan hasil yang konsisten dengan menggunakan sampel germanium yang diproduksi oleh Welker, mirip dengan apa yang telah dicapai oleh Bardeen dan Brattain sebelumnya pada bulan Desember 1947. Menyadari bahwa para ilmuwan Bell Labs telah menemukan transistor, perusahaan tersebut bergegas untuk membuat "transistron" untuk digunakan di jaringan telepon Prancis, mengajukan permohonan paten transistor pertamanya pada tanggal 13 Agustus 1948.

Transistor persimpangan bipolar pertama ditemukan oleh William Shockley dari Bell Labs, yang mengajukan permohonan paten (2.569.347) pada tanggal 26 Juni 1948. Pada tanggal 12 April 1950, ahli kimia Bell Labs, Gordon Teal dan Morgan Sparks berhasil memproduksi transistor germanium penguat sambungan NPN bipolar yang berfungsi. Bell mengumumkan penemuan transistor "sandwich" baru ini dalam siaran pers pada tanggal 4 Juli 1951.

Transistor frekuensi tinggi pertama adalah transistor germanium penghalang permukaan yang dikembangkan oleh Philco pada tahun 1953, yang mampu beroperasi pada frekuensi hingga 60 MHz. Transistor ini dibuat dengan mengetsa cekungan ke dalam basis germanium tipe-n dari kedua sisi dengan semburan Indium (III) sulfat hingga tebalnya hanya sepersepuluh ribu inci. Indium yang disetrum ke dalam cekungan membentuk kolektor dan emitor.

AT&T pertama kali menggunakan transistor dalam peralatan telekomunikasi di Sistem Switching Palang Tol No. 4A pada tahun 1953, untuk memilih sirkuit trunk dari informasi routing yang dikodekan pada kartu penerjemah. Pendahulunya, Western Electric No. 3A phototransistor, membaca pengkodean mekanis dari kartu logam berlubang.

Prototipe radio transistor saku pertama diperlihatkan oleh INTERMETALL, sebuah perusahaan yang didirikan oleh Herbert Mataré pada tahun 1952, di Internationale Funkausstellung Düsseldorf dari tanggal 29 Agustus hingga 6 September 1953. Radio transistor saku model produksi pertama adalah Regency TR-1, yang dirilis pada bulan Oktober 1954. Diproduksi sebagai perusahaan patungan antara Divisi Kabupaten Rekanan Teknik Pengembangan Industri, IDEA, dan Texas Instruments dari Dallas, Texas, TR-1 diproduksi di Indianapolis, Indiana. Radio ini berukuran hampir seukuran saku dengan empat transistor dan satu dioda germanium. Desain industri dialihdayakan ke perusahaan Painter, Teague dan Petertil di Chicago. Pada awalnya, radio ini dirilis dalam salah satu dari enam warna: hitam, gading, merah mandarin, abu-abu awan, mahoni, dan hijau zaitun. Warna-warna lain segera menyusul.

Radio mobil all-transistor produksi pertama dikembangkan oleh perusahaan Chrysler dan Philco dan diumumkan di The Wall Street Journal edisi 28 April 1955. Chrysler membuat model Mopar 914HR tersedia sebagai pilihan mulai musim gugur 1955 untuk lini baru mobil Chrysler dan Imperial tahun 1956, yang sampai di ruang pamer dealer pada tanggal 21 Oktober 1955.

Sony TR-63, dirilis pada tahun 1957, adalah radio transistor pertama yang diproduksi secara massal, yang mengarah pada adopsi radio transistor secara luas. Tujuh juta TR-63 terjual di seluruh dunia pada pertengahan 1960-an. Keberhasilan Sony dengan radio transistor menyebabkan transistor menggantikan tabung hampa udara sebagai teknologi elektronik yang dominan pada akhir 1950-an.

Transistor silikon yang berfungsi pertama kali dikembangkan di Bell Labs pada tanggal 26 Januari 1954, oleh Morris Tanenbaum. Transistor silikon komersial produksi pertama diumumkan oleh Texas Instruments pada bulan Mei 1954. Ini adalah hasil karya Gordon Teal, seorang ahli dalam menumbuhkan kristal dengan kemurnian tinggi, yang sebelumnya bekerja di Bell Labs.

Transistor efek medan

Prinsip dasar transistor efek medan (FET) pertama kali diusulkan oleh fisikawan Julius Edgar Lilienfeld ketika dia mengajukan paten untuk perangkat yang mirip dengan MESFET pada tahun 1926, dan untuk transistor efek medan gerbang terisolasi pada tahun 1928. Konsep FET kemudian juga diteorikan oleh insinyur Oskar Heil pada tahun 1930-an dan oleh William Shockley pada tahun 1940-an.

Pada tahun 1945 JFET dipatenkan oleh Heinrich Welker. Mengikuti perlakuan teoritis Shockley pada JFET pada tahun 1952, JFET praktis yang berfungsi dibuat pada tahun 1953 oleh George C. Dacey dan Ian M. Ross.

Pada tahun 1948, Bardeen mematenkan nenek moyang MOSFET, sebuah gerbang terisolasi FET (IGFET) dengan lapisan inversi. Paten Bardeen, dan konsep lapisan inversi, menjadi dasar teknologi CMOS saat ini.

MOSFET (transistor MOS)

Pada tahun-tahun awal industri semikonduktor, perusahaan berfokus pada transistor persimpangan, perangkat yang relatif besar yang sulit diproduksi secara massal, membatasinya untuk beberapa aplikasi khusus. Transistor efek medan (FET) diteorikan sebagai alternatif potensial, tetapi para peneliti tidak dapat membuatnya bekerja dengan baik, sebagian besar karena penghalang keadaan permukaan yang mencegah medan listrik eksternal menembus material.

Pada tahun 1957, insinyur Bell Labs, Mohamed Atalla, mengusulkan metode baru fabrikasi perangkat semikonduktor: melapisi wafer silikon dengan lapisan isolasi silikon oksida sehingga listrik dapat mengatasi kondisi permukaan dan secara andal menembus silikon semikonduktor di bawahnya. Proses ini, yang dikenal sebagai pasivasi permukaan, menjadi sangat penting bagi industri semikonduktor, karena memungkinkan produksi massal sirkuit terpadu silikon. Berdasarkan metode ini, ia mengembangkan proses metal-oksida-semikonduktor (MOS),  dan mengusulkan agar proses ini dapat digunakan untuk membuat FET silikon yang pertama kali bekerja.

Atalla dan koleganya dari Korea, Dawon Kahng, mengembangkan transistor efek medan semikonduktor oksida-oksida (MOSFET), atau transistor MOS, pada tahun 1959,    transistor pertama yang dapat diminiaturisasi dan diproduksi secara massal untuk berbagai macam penggunaan. Dalam proses CMOS yang disejajarkan sendiri, sebuah transistor dibentuk di mana pun lapisan gerbang (polisilikon atau logam) melintasi lapisan difusi.: hal. 1 (lihat Gbr. 1.1)Dengan skalabilitasnya yang tinggi, konsumsi daya yang jauh lebih rendah, dan kepadatan yang lebih tinggi daripada transistor persimpangan bipolar, MOSFET memungkinkan untuk membangun sirkuit terintegrasi dengan kepadatan tinggi, memungkinkan integrasi lebih dari 10.000 transistor dalam satu IC.

CMOS ( MOS komplementer) ditemukan oleh Chih-Tang Sah dan Frank Wanlass di Fairchild Semiconductor pada tahun 1963. Laporan pertama MOSFET gerbang mengambang dibuat oleh Dawon Kahng dan Simon Sze pada tahun 1967. MOSFET gerbang ganda pertama kali didemonstrasikan pada tahun 1984 oleh peneliti Laboratorium Elektroteknik Toshihiro Sekigawa dan Yutaka Hayashi.   FinFET (transistor efek medan sirip), jenis MOSFET multi-gerbang non-planar 3D, berasal dari penelitian Digh Hisamoto dan timnya di Laboratorium Penelitian Pusat Hitachi pada tahun 1989.

Pentingnya

Karena transistor adalah komponen aktif utama dalam hampir semua elektronik modern, banyak orang menganggapnya sebagai salah satu penemuan terbesar abad ke-20.

Penemuan transistor pertama di Bell Labs dinobatkan sebagai Tonggak Sejarah IEEE pada tahun 2009. Tonggak Sejarah lainnya termasuk penemuan transistor pers impangan pada tahun 1948 dan MOSFET pada tahun 1959.

MOSFET sejauh ini merupakan transistor yang paling banyak digunakan, dalam aplikasi mulai dari komputer dan elektronik hingga teknologi komunikasi seperti ponsel pintar. Telah dianggap sebagai transistor yang paling penting, mungkin penemuan paling penting dalam elektronik, dan perangkat yang memungkinkan elektronik modern.  Ini telah menjadi dasar elektronik digital modern sejak akhir abad ke-20, membuka jalan menuju era digital. Kantor Paten dan Merek Dagang AS menyebutnya sebagai "penemuan terobosan yang mengubah kehidupan dan budaya di seluruh dunia." Kemampuannya untuk diproduksi secara massal dengan proses yang sangat otomatis(fabrikasi perangkat semikonduktor), dari bahan yang relatif mendasar, memungkinkan biaya per transistor yang sangat rendah. MOSFET adalah benda buatan yang paling banyak diproduksi dalam sejarah, dengan lebih dari 13 triliun diproduksi pada tahun 2018.

Meskipun beberapa perusahaan masing-masing memproduksi lebih dari satu miliar transistor MOS yang dikemas secara individual (dikenal sebagai transistor diskrit) setiap tahun, sebagian besar diproduksi di sirkuit terpadu (juga dikenal sebagai IC, microchip, atau hanya chip), bersama dengan dioda, resistor, kapasitor, dan komponen elektronik lainnya, untuk menghasilkan sirkuit elektronik yang lengkap. Gerbang logika terdiri dari sekitar 20 transistor, sedangkan mikroprosesor tingkat lanjut, pada tahun 2022, dapat berisi sebanyak 57 miliar MOSFET. Transistor sering kali disusun ke dalam gerbang logika dalam mikroprosesor untuk melakukan komputasi.

Biaya, fleksibilitas, dan keandalan transistor yang rendah telah membuatnya ada di mana-mana. Sirkuit mekatronik transistor telah menggantikan perangkat elektromekanis dalam mengendalikan peralatan dan mesin. Seringkali lebih mudah dan lebih murah untuk menggunakan mikrokontroler standar dan menulis program komputer untuk menjalankan fungsi kontrol daripada merancang sistem mekanis yang setara.

Pengoperasian yang disederhanakan

Sebuah transistor dapat menggunakan sinyal kecil yang diterapkan di antara sepasang terminalnya untuk mengontrol sinyal yang jauh lebih besar di sepasang terminal lainnya, sebuah properti yang disebut penguatan. Hal ini dapat menghasilkan sinyal output yang lebih kuat, tegangan atau arus, sebanding dengan sinyal input yang lebih lemah, yang bertindak sebagai penguat. Transistor juga dapat digunakan sebagai sakelar yang dikontrol secara elektrik, di mana jumlah arusnya ditentukan oleh elemen sirkuit lainnya.

Ada dua jenis transistor, dengan sedikit perbedaan dalam cara penggunaannya:

• Transistor persimpangan bipolar (BJT) memiliki terminal yang diberi label basis, kolektor, dan emitor. Arus kecil pada terminal basis, mengalir antara basis dan emitor, dapat mengontrol atau mengalihkan arus yang jauh lebih besar antara kolektor dan emitor.

• Transistor efek medan (FET) memiliki terminal yang diberi label gerbang, sumber, dan pembuangan. Tegangan pada gerbang dapat mengontrol arus antara sumber dan drain.

Muatan mengalir antara terminal emitor dan kolektor tergantung pada arus di basis. Karena sambungan basis dan emitor berperilaku seperti dioda semikonduktor, penurunan tegangan terjadi di antara keduanya. Jumlah penurunan ini, ditentukan oleh bahan transistor, disebut sebagai VBE.

Transistor sebagai sakelar

Transistor biasanya digunakan dalam sirkuit digital sebagai sakelar elektronik yang dapat berada dalam kondisi "hidup" atau "mati", baik untuk aplikasi berdaya tinggi seperti catu daya mode sakelar maupun untuk aplikasi berdaya rendah seperti gerbang logika. Parameter penting untuk aplikasi ini termasuk arus yang dialihkan, tegangan yang ditangani, dan kecepatan pengalihan, yang ditandai dengan waktu naik dan turun.

Dalam rangkaian sakelar, tujuannya adalah untuk mensimulasikan, sedekat mungkin, sakelar ideal yang memiliki sifat sirkuit terbuka saat mati, korsleting saat hidup, dan transisi sesaat antara dua status. Parameter dipilih sedemikian rupa sehingga output "mati" terbatas pada arus bocor yang terlalu kecil untuk memengaruhi sirkuit yang terhubung, resistansi transistor dalam keadaan "hidup" terlalu kecil untuk memengaruhi sirkuit, dan transisi antara dua status cukup cepat untuk tidak memiliki efek yang merugikan.

Dalam rangkaian transistor emitor yang diarde, seperti rangkaian sakelar lampu yang ditunjukkan, saat tegangan dasar naik, arus emitor dan kolektor naik secara eksponensial. Tegangan kolektor turun karena berkurangnya resistansi dari kolektor ke emitor. Jika perbedaan tegangan antara kolektor dan emitor adalah nol (atau mendekati nol), arus kolektor hanya akan dibatasi oleh hambatan beban (bola lampu) dan tegangan suplai. Ini disebut saturasi karena arus mengalir dari kolektor ke emitor secara bebas. Ketika jenuh, sakelar dikatakan aktif.

Penggunaan transistor bipolar untuk aplikasi pengalihan memerlukan pembiasan transistor sehingga beroperasi di antara daerah cut-off dalam keadaan mati dan daerah saturasi(hidup). Hal ini membutuhkan arus penggerak basis yang cukup. Karena transistor memberikan penguatan arus, transistor memfasilitasi peralihan arus yang relatif besar di kolektor dengan arus yang jauh lebih kecil ke terminal basis. Rasio arus ini bervariasi tergantung pada jenis transistor, dan bahkan untuk jenis tertentu, bervariasi tergantung pada arus kolektor. Dalam contoh rangkaian sakelar lampu, seperti yang ditunjukkan, resistor dipilih untuk menyediakan arus basis yang cukup untuk memastikan transistor jenuh. Nilai resistor basis dihitung dari tegangan suplai, penurunan tegangan persimpangan C-E transistor, arus kolektor, dan faktor penguatan beta.

Transistor sebagai penguat

Penguat emitor bersama dirancang sedemikian rupa sehingga perubahan kecil pada tegangan(Vin) mengubah arus kecil yang melalui basis transistor yang penguatan arusnya dikombinasikan dengan sifat-sifat rangkaian berarti bahwa perubahan kecil padaVin menghasilkan perubahan besar pada Vout.

Berbagai konfigurasi penguat transistor tunggal dimungkinkan, dengan beberapa memberikan penguatan arus, beberapa penguatan tegangan, dan beberapa keduanya.

Dari telepon seluler hingga televisi, banyak sekali produk yang menyertakan amplifier untuk reproduksi suara, transmisi radio, dan pemrosesan sinyal. Amplifier audio transistor diskrit pertama hampir tidak memasok beberapa ratus miliwatt, tetapi daya dan ketepatan audio secara bertahap meningkat seiring dengan tersedianya transistor yang lebih baik dan berkembangnya arsitektur amplifier.

Amplifier audio transistor modern hingga beberapa ratus watt adalah hal yang umum dan relatif murah.

Perbandingan dengan tabung vakum

Sebelum transistor dikembangkan, tabung vakum (elektron) (atau di Inggris "katup termionik" atau hanya "katup") adalah komponen aktif utama dalam peralatan elektronik.

Keuntungan

Keuntungan utama yang memungkinkan transistor untuk menggantikan tabung vakum di sebagian besar aplikasi adalah

• Tidak ada pemanas katoda (yang menghasilkan cahaya oranye khas tabung), mengurangi konsumsi daya, menghilangkan penundaan saat pemanas tabung memanas, dan kebal dari keracunan dan penipisan katoda.

• Ukuran dan berat yang sangat kecil, mengurangi ukuran peralatan.

• Sejumlah besar transistor yang sangat kecil dapat diproduksi sebagai satu sirkuit terpadu.

• Tegangan operasi rendah yang kompatibel dengan baterai yang hanya terdiri dari beberapa sel.

• Sirkuit dengan efisiensi energi yang lebih besar biasanya dimungkinkan. Untuk aplikasi berdaya rendah (misalnya, amplifikasi tegangan) khususnya, konsumsi energi bisa sangat jauh lebih sedikit daripada tabung.

• Perangkat pelengkap tersedia, memberikan fleksibilitas desain termasuk sirkuit simetri komplementer, tidak mungkin dilakukan dengan tabung vakum.

• Sensitivitas yang sangat rendah terhadap guncangan dan getaran mekanis, memberikan ketahanan fisik dan secara virtual menghilangkan sinyal palsu yang diakibatkan oleh guncangan (misalnya, mikrofon dalam aplikasi audio).

• Tidak rentan terhadap pecahnya selubung kaca, kebocoran, gas buang, dan kerusakan fisik lainnya.

Keterbatasan

Transistor mungkin memiliki keterbatasan sebagai berikut:

• Mereka tidak memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi yang diberikan oleh kekosongan tabung vakum, yang diinginkan untuk operasi berdaya tinggi dan frekuensi tinggi - seperti yang digunakan di beberapa pemancar televisi over-the-air dan dalam tabung gelombang perjalanan yang digunakan sebagai amplifier di beberapa satelit

• Transistor dan perangkat solid-state lainnya rentan terhadap kerusakan akibat peristiwa listrik dan termal yang sangat singkat, termasuk pelepasan muatan listrik statis saat penanganan. Tabung vakum secara elektrik jauh lebih kokoh.

• Mereka sensitif terhadap radiasi dan sinar kosmik (chip khusus yang dikeraskan dengan radiasi digunakan untuk perangkat pesawat ruang angkasa).

• Dalam aplikasi audio, transistor tidak memiliki distorsi harmonik yang lebih rendah - yang disebut suara tabung - yang merupakan karakteristik tabung vakum, dan lebih disukai oleh beberapa orang.

Disadur dari: en.wikipedia.org

 

Dioda adalah komponen elektronik dua terminal yang menghantarkan arus terutama ke satu arah (konduktansi asimetris). Dioda memiliki resistansi rendah (idealnya nol) di satu arah dan resistansi tinggi (idealnya tak terbatas) di arah lainnya.

Dioda semikonduktor, jenis yang paling umum digunakan saat ini, adalah sepotong kristal bahan semikonduktor dengan sambungan p-n yang terhubung ke dua terminal listrik. Ini memiliki karakteristik arus-tegangan eksponensial. Dioda semikonduktor adalah perangkat elektronik semikonduktor pertama. Penemuan konduksi listrik asimetris melintasi kontak antara mineral kristal dan logam dibuat oleh fisikawan Jerman Ferdinand Braun pada tahun 1874. Saat ini, sebagian besar dioda terbuat dari silikon, tetapi bahan semikonduktor lain seperti galium arsenida dan germanium juga digunakan.

Dioda termionik usang adalah tabung vakum dengan dua elektroda, katoda yang dipanaskan dan pelat, di mana elektron dapat mengalir hanya dalam satu arah, dari katoda ke pelat. Di antara banyak kegunaannya, dioda ditemukan dalam penyearah untuk mengubah daya arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), demodulasi pada penerima radio, dan bahkan dapat digunakan untuk logika atau sebagai sensor suhu. Varian umum dioda adalah dioda pemancar cahaya, yang digunakan sebagai penerangan listrik dan indikator status pada perangkat elektronik.

Fungsi utama
Aliran arus searah
Fungsi dioda yang paling umum adalah untuk memungkinkan arus listrik mengalir ke satu arah (disebut arah maju dioda), sementara menghalanginya ke arah yang berlawanan (arah mundur ). Analogi hidroliknya adalah katup periksa. Perilaku searah ini dapat mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), sebuah proses yang disebut penyearahan. Sebagai penyearah, dioda dapat digunakan untuk tugas-tugas seperti mengekstraksi modulasi dari sinyal radio di penerima radio.

Tegangan ambang batas 
Karakteristik arus-tegangan eksponensial dioda semikonduktor menghasilkan perilaku yang lebih rumit daripada aksi on-off yang sederhana. Karena fungsi eksponensial dapat dilihat sebagai memiliki tegangan "lutut", untuk kesederhanaan, dioda biasanya dikatakan memiliki tegangan ambang batas, di atasnya terdapat arus yang signifikan dan di bawahnya hampir tidak ada arus. Namun, ini hanya perkiraan karena karakteristik maju secara bertahap dalam kurva tegangan-arus.
Karena penurunan tegangan arah maju dioda hanya sedikit bervariasi dengan arus, dan lebih merupakan fungsi suhu, efek ini dapat digunakan sebagai sensor suhu atau sebagai referensi tegangan yang agak tidak tepat.

Kerusakan terbalik
Resistansi tinggi dioda terhadap arus yang mengalir ke arah sebaliknya tiba-tiba turun menjadi resistansi rendah ketika tegangan balik melintasi dioda mencapai nilai yang disebut tegangan tembus. Efek ini digunakan untuk mengatur tegangan(dioda Zener) atau untuk melindungi sirkuit dari lonjakan tegangan tinggi(dioda longsor).

Fungsi lain
Karakteristik arus-tegangan dioda semikonduktor dapat disesuaikan dengan memilih bahan semikonduktor dan pengotor doping yang dimasukkan ke dalam bahan selama pembuatan. Teknik-teknik ini digunakan untuk membuat dioda tujuan khusus yang menjalankan banyak fungsi berbeda. Misalnya, untuk menyetel penerima radio dan TV secara elektronik(dioda varaktor), untuk menghasilkan osilasi frekuensi radio(dioda terowongan, dioda Gunn, dioda IMPATT), dan untuk menghasilkan cahaya(dioda pemancar cahaya). Dioda Tunnel, Gunn dan IMPATT menunjukkan resistansi negatif, yang berguna dalam gelombang mikro dan sirkuit switching.
Dioda, baik vakum maupun semikonduktor, dapat digunakan sebagai pembangkit suara tembakan.

Sejarah
Dioda termionik(tabung hampa udara) dan dioda solid-state (semikonduktor) dikembangkan secara terpisah, pada waktu yang kurang lebih bersamaan, pada awal tahun 1900-an, sebagai detektor penerima radio. Hingga tahun 1950-an, dioda vakum lebih sering digunakan di radio karena dioda semikonduktor kontak-titik awal kurang stabil. Selain itu, sebagian besar perangkat penerima memiliki tabung vakum untuk amplifikasi yang dapat dengan mudah memasukkan dioda termionik ke dalam tabung (misalnya trioda dioda ganda 12SQ7 ), dan penyearah tabung vakum serta penyearah berisi gas mampu menangani beberapa tugas penyearahan tegangan tinggi / arus tinggi lebih baik daripada dioda semikonduktor (seperti penyearah selenium) yang tersedia saat itu.

Pada tahun 1873, Frederick Guthrie mengamati bahwa bola logam putih-panas yang diarde yang didekatkan ke elektroskop akan melepaskan elektroskop bermuatan positif, tetapi tidak untuk elektroskop bermuatan negatif. [Pada tahun 1880, Thomas Edison mengamati arus searah antara elemen yang dipanaskan dan tidak dipanaskan dalam bohlam, yang kemudian disebut efek Edison, dan diberi paten atas penerapan fenomena tersebut untuk digunakan dalam voltmeter DC. Sekitar 20 tahun kemudian, John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah untuk Perusahaan Marconi dan mantan karyawan Edison) menyadari bahwa efek Edison dapat digunakan sebagai detektor radio. Fleming mematenkan dioda termionik pertama yang sebenarnya, katup Fleming, di Inggris pada tanggal 16 November 1904 (diikuti oleh paten AS 803.684 pada bulan November 1905). Sepanjang era tabung vakum, dioda katup digunakan di hampir semua elektronik seperti radio, televisi, sistem suara, dan instrumentasi. Mereka perlahan-lahan kehilangan pangsa pasar yang dimulai pada akhir 1940-an karena teknologi penyearah selenium dan kemudian ke dioda semikonduktor selama tahun 1960-an. Saat ini mereka masih digunakan dalam beberapa aplikasi daya tinggi di mana kemampuannya untuk menahan tegangan transien dan ketangguhannya memberi mereka keunggulan dibandingkan perangkat semikonduktor, dan dalam aplikasi alat musik dan audiophile.

Pada tahun 1874, ilmuwan Jerman Karl Ferdinand Braun menemukan "konduksi unilateral" melintasi kontak antara logam dan mineral. Ilmuwan India Jagadish Chandra Bose adalah orang pertama yang menggunakan kristal untuk mendeteksi gelombang radio pada tahun 1894. Detektor kristal dikembangkan menjadi perangkat praktis untuk telegrafi nirkabel oleh Greenleaf Whittier Pickard, yang menemukan detektor kristal silikon pada tahun 1903 dan menerima paten untuk itu pada tanggal 20 November 1906. Eksperimenter lain mencoba berbagai mineral lain sebagai detektor. Prinsip-prinsip semikonduktor tidak diketahui oleh para pengembang penyearah awal ini. Selama tahun 1930-an, pemahaman fisika semakin maju dan pada pertengahan 1930-an, para peneliti di Bell Telephone Laboratories menyadari potensi detektor kristal untuk aplikasi dalam teknologi gelombang mikro. Para peneliti di Bell Labs, Western Electric, MIT, Purdue, dan di Inggris secara intensif mengembangkan dioda kontak-titik(penyearah kristal atau dioda kristal) selama Perang Dunia II untuk aplikasi di radar. Setelah Perang Dunia II, AT&T menggunakannya di menara gelombang mikro yang tersebar di Amerika Serikat, dan banyak perangkat radar yang menggunakannya bahkan di abad ke-21. Pada tahun 1946, Sylvania mulai menawarkan dioda kristal 1N34. Selama awal tahun 1950-an, dioda persimpangan dikembangkan.
Pada tahun 2022, efek dioda superkonduktor pertama tanpa medan magnet eksternal direalisasikan.

Etimologi
Pada saat penemuannya, perangkat konduksi asimetris dikenal sebagai penyearah. Pada tahun 1919, tahun ditemukannya tetroda, William Henry Eccles menciptakan istilah dioda dari akar kata Yunani di (dari δί), yang berarti 'dua', dan ode (dari οδός), yang berarti 'jalan'. Namun kata diode sudah digunakan, seperti halnya triode, tetrode, pentode, heksode, sebagai istilah telegrafi multipleks.
Meskipun semua dioda menyearahkan, "penyearah" biasanya berlaku untuk dioda yang digunakan untuk catu daya, untuk membedakannya dari dioda yang ditujukan untuk sirkuit sinyal kecil.

Dioda tabung vakum
Dioda termionik adalah perangkat katup termionik yang terdiri dari selubung kaca atau logam yang disegel dan dievakuasi yang berisi dua elektroda: katoda dan pelat. Katoda dapat dipanaskan secara tidak langsung atau dipanaskan secara langsung. Jika pemanasan tidak langsung digunakan, pemanas disertakan dalam amplop.

Dalam pengoperasiannya, katoda dipanaskan hingga panas merah, sekitar 800-1.000 °C (1.470-1.830 °F). Katoda yang dipanaskan secara langsung terbuat dari kawat tungsten dan dipanaskan oleh arus yang melewatinya dari sumber tegangan eksternal. Katoda yang dipanaskan secara tidak langsung dipanaskan oleh radiasi inframerah dari pemanas di dekatnya yang terbuat dari kawat Nichrome dan disuplai dengan arus yang disediakan oleh sumber tegangan eksternal.
Suhu operasi katoda menyebabkannya melepaskan elektron ke dalam ruang hampa udara, suatu proses yang disebut emisi termionik. Katoda dilapisi dengan oksida logam alkali tanah, seperti oksida barium dan strontium. Ini memiliki fungsi kerja yang rendah, yang berarti bahwa mereka lebih mudah memancarkan elektron daripada katoda yang tidak dilapisi.
Pelat yang tidak dipanaskan, tidak memancarkan elektron; tetapi mampu menyerapnya.
Tegangan bolak-balik yang akan diperbaiki diterapkan antara katoda dan pelat. Ketika tegangan pelat positif terhadap katoda, pelat secara elektrostatis menarik elektron dari katoda, sehingga arus elektron mengalir melalui tabung dari katoda ke pelat. Ketika tegangan pelat negatif terhadap katoda, tidak ada elektron yang dipancarkan oleh pelat, sehingga tidak ada arus yang dapat mengalir dari pelat ke katoda.

Dioda semikonduktor
Dioda kontak-titik
Dioda kontak-titik dikembangkan mulai tahun 1930-an, dari teknologi detektor kristal awal, dan sekarang umumnya digunakan dalam kisaran 3 hingga 30 gigahertz.   Dioda kontak-titik menggunakan kawat logam berdiameter kecil yang bersentuhan dengan kristal semikonduktor, dan terdiri dari jenis kontak yang tidak dilas atau jenis kontak yang dilas. Konstruksi kontak yang tidak dilas menggunakan prinsip penghalang Schottky. Sisi logam adalah ujung runcing dari kawat berdiameter kecil yang bersentuhan dengan kristal semikonduktor. Pada tipe kontak yang dilas, daerah P kecil terbentuk di kristal tipe-N di sekitar titik logam selama pembuatan dengan melewatkan arus yang relatif besar untuk sementara waktu melalui perangkat. Dioda kontak titik umumnya menunjukkan kapasitansi yang lebih rendah, resistansi maju yang lebih tinggi, dan kebocoran balik yang lebih besar daripada dioda persimpangan.

Dioda persimpangan 
Dioda persimpangan p-n 
Dioda persimpangan p-n terbuat dari kristal semikonduktor, biasanya silikon, tetapi germanium dan galium arsenida juga digunakan. Pengotor ditambahkan ke dalamnya untuk menciptakan wilayah di satu sisi yang berisi pembawa muatan negatif (elektron), yang disebut semikonduktor tipe-n, dan wilayah di sisi lain yang berisi pembawa muatan positif(lubang), yang disebut semikonduktor tipe-p. Ketika bahan tipe-n dan tipe-p disatukan, aliran elektron sesaat terjadi dari sisi n ke sisi p yang menghasilkan wilayah ketiga di antara keduanya di mana tidak ada pembawa muatan. Wilayah ini disebut wilayah penipisan karena tidak ada pembawa muatan (baik elektron maupun lubang) di dalamnya. Terminal dioda terpasang ke daerah tipe-n dan tipe-p. Batas antara kedua wilayah ini, yang disebut persimpangan p-n, adalah tempat di mana aksi dioda terjadi. Ketika potensi listrik yang cukup tinggi diterapkan ke sisi P ( anoda) daripada ke sisi N ( katoda), ini memungkinkan elektron mengalir melalui wilayah penipisan dari sisi tipe-N ke sisi tipe-P. Persimpangan ini tidak memungkinkan aliran elektron ke arah yang berlawanan ketika potensi diterapkan secara terbalik, menciptakan, dalam arti, sebuah katup listrik.

Dioda Schottky
Jenis dioda persimpangan lainnya, dioda Schottky, dibentuk dari persimpangan logam-semikonduktor daripada persimpangan p-n, yang mengurangi kapasitansi dan meningkatkan kecepatan perpindahan.

Karakteristik arus-tegangan
Perilaku dioda semikonduktor dalam suatu rangkaian ditentukan oleh karakteristik arus-tegangannya. Bentuk kurva ditentukan oleh pengangkutan pembawa muatan melalui apa yang disebut lapisan penipisan atau daerah pen ipisan yang ada di persimpangan p-n antara semikonduktor yang berbeda. Ketika persimpangan p-n pertama kali dibuat, elektron pita konduksi (bergerak) dari wilayah doping-N berdifusi ke wilayah doping-P di mana terdapat banyak populasi lubang (tempat kosong untuk elektron) yang dengannya elektron "bergabung kembali". Ketika elektron bergerak bergabung kembali dengan lubang, lubang dan elektron lenyap, meninggalkan donor bermuatan positif yang tidak bergerak (dopan) di sisi N dan akseptor bermuatan negatif (dopan) di sisi P. Wilayah di sekitar persimpangan p-n menjadi kehabisan pembawa muatan dan dengan demikian berperilaku sebagai isolator.

Namun, lebar daerah penipisan (disebut lebar penipisan) tidak dapat bertambah tanpa batas. Untuk setiap rekombinasi pasangan elektron-hole yang dibuat, ion dopan bermuatan positif tertinggal di wilayah N-doped, dan ion dopan bermuatan negatif dibuat di wilayah P-doped. Ketika rekombinasi berlangsung dan lebih banyak ion tercipta, medan listrik yang meningkat berkembang melalui zona penipisan yang bertindak untuk memperlambat dan akhirnya menghentikan rekombinasi. Pada titik ini, ada potensi "built-in" di seluruh zona deplesi.

Bias terbalik
Jika tegangan eksternal ditempatkan di dioda dengan polaritas yang sama dengan potensi bawaan, zona penipisan terus bertindak sebagai isolator, mencegah aliran arus listrik yang signifikan (kecuali jika pasangan elektron-lubang secara aktif dibuat di persimpangan oleh, misalnya, cahaya; lihat fotodioda). Ini disebut fenomena bias terbalik.

Bias maju
Namun, jika polaritas tegangan eksternal berlawanan dengan potensial internal, rekombinasi sekali lagi dapat berlanjut, menghasilkan arus listrik yang substansial melalui persimpangan p-n (yaitu sejumlah besar elektron dan lubang bergabung kembali di persimpangan). Dengan demikian, jika tegangan eksternal yang lebih besar dari dan berlawanan dengan tegangan internal diterapkan, arus akan mengalir dan dioda dikatakan "dihidupkan" karena telah diberi bias maju eksternal.
Pada arus yang lebih tinggi, penurunan tegangan maju dioda meningkat. Penurunan 1 V hingga 1,5 V adalah tipikal pada arus pengenal penuh untuk dioda daya.

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

 

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

 

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

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