Karakteristik Semikonduktor Berkelanjutan: Daya Rendah, Keandalan Tinggi, Kerapatan Daya, dan Keamanan

Hitekno.com - Microchip ology menyampaikan pentingnya karakteristik semikonduktor untuk desain sistem berkelanjutan. Bagaimana semikonduktor didesain memiliki daya rendah, keandalan tinggi, kerapatan daya, dan keamanan yang terus berkembang.

Keberlanjutan global terpusat pada inisiatif lingkungan, ekonomi dan sosial yang bertujuan untuk melindungi dan meningkatkan kondisi lingkungan alam.

Inisiatif ini melibatkan dukungan terhadap kualitas hidup yang memenuhi kebutuhan dasar manusia dan memanfaatkan teknologi yang berdampak positif terhadap lingkungan. Satu fenomena paling nyata yang ingin diatasi oleh inisiatif keberlanjutan adalah dampak perubahan iklim.

Baca Juga: Microchip: Penting Mengetahui Bahaya dan Langkah Penanggulangan Pusat Data

“Secara luas, perubahan iklim dipandang sebagai tantangan terbesar di zaman kita. Sumber daya keuangan dan manusia yang sangat besar telah dikerahkan untuk mengatasi penyebab dan dampak perubahan iklim, dan untuk mewujudkan transisi energi dari bahan bakar fosil ke sumber daya terbarukan.”

Pertumbuhan populasi manusia, peningkatan mobilitas elektronik, kebutuhan otomasi industri, peningkatan kebutuhan komputasi untuk pemrosesan data skala besar, serta berekmbangnnya perangkat IoT cerdas bertenaga baterai meningkatkan permintaan untuk pembangkit listrik.

Jika bahan bakar fosil menjadi satu-satunya sumber energi yang digunakan untuk memenuhi lonjakan permintaan ini, maka volume emisi gas rumah kaca yang lebih tinggi akan memperburuk dampak perubahan iklim yang sudah terlihat.

Baca Juga: Microchip Luncurkan MPLAB Machine Learning Development Suite, Memudahkan Integrasi ML ke MCU dan MPU

Oleh karena itu, sangat penting bahwa sumber energi terbarukan harus menghasilkan porsi yang lebih besar dalam peningkatan permintaan listrik dibandingkan bahan bakar fosil. Menurut eia International Energy Outlook 2021, www.eia.gov/ieo, antara tahun 2020 dan 2050, pembangkit listrik bersih dunia diperkirakan akan meningkat dari 25 triliun kW-jam menjadi sekitar 40 triliun kW-jam.

Porsi listrik dari sumber energi terbarukan, yang sebagian besar berasal dari tenaga angin dan surya, akan meningkat dari sekitar 30% menjadi 65% dalam jangka waktu yang sama.

Efektivitas sumber listrik terbarukan bergantung pada pemaksimalan pengalihan daya dari sumbernya ke jaringan listrik atau beban listrik. Beban listrik ini dapat berupa perangkat konsumen dan peralatan rumah tangga yang sering digunakan, atau sistem penyimpanan energi baterai skala besar.

Baca Juga: CEO Microchip Technology Ungkap Pencapaian dan Kesiapan Menghadapi 2023

Selain itu, beban listrik itu sendiri perlu mengkonsumsi daya dalam jumlah minimal selama pengoperasian untuk mendorong efisiensi penggunaan energi yang dihasilkan oleh sumber terbarukan maupun tidak terbarukan.

Untuk mencapai tujuan tersebut, sangat penting bahwa IC (Integrated Circuits) dan ASIC (Application Specific Integrated Circuits) yang merupakan konversi daya terbarukan dan sistem tertanam menunjukkan disipasi daya yang rendah, keandalan yang tinggi, kerapatan daya yang tinggi, dan keamanan.

Desain untuk Daya Rendah

Baca Juga: Kolaborasi Microchip dan Acacia, Transisi Optik Koheren 400G untuk Ini

Karakteristik semikonduktor yang sangat didambakan dalam desain berkelanjutan adalah konsumsi daya yang rendah. Untuk perangkat pintar bertenaga baterai yang menjadi ciri khas ekosistem berkelanjutan, konsumsi daya yang rendah akan memperpanjang masa pakai baterai yang berarti waktu pengoperasian yang lebih lama antara pengisian ulang sehingga dapat menghemat energi.

Untuk sistem konversi DC/DC dan AC/DC berdaya tinggi dalam aplikasi energi terbarukan, konsumsi daya yang lebih rendah berarti efisiensi sistem yang lebih tinggi, yang menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi antara daya yang dihasilkan dan dipasok ke beban elektronik.

Dua sumber utama kehilangan daya semikonduktor dalam sistem kendali tertanam adalah disipasi daya statis dan dinamis. Daya statis ditandai dengan konsumsi daya ketika suatu sirkuit berada dalam keadaan “siaga” atau non-operasional, yang biasa disebut “kebocoran”.

Disipasi daya dinamis ditandai dengan konsumsi daya saat sirkuit dalam kondisi operasional. Secara umum, semakin rendah node teknologi proses dan pengurangan geometri perangkat, semakin tinggi “kebocoran” atau disipasi daya statis dan semakin rendah disipasi daya dinamis karena kapasitansi perangkat yang lebih kecil.

Sebaliknya, geometri semikonduktor yang lebih besar menunjukkan tren yang berlawanan. Pertukaran ini harus dipertimbangkan ketika merancang semikonduktor untuk aplikasi tertentu tergantung pada apakah sistemnya bertenaga baterai di mana disipasi daya statis harus diminimalkan atau sistem konversi daya terbarukan yang sebaiknya membatasi disipasi daya dinamis.

Untuk membatasi disipasi daya dinamis dan statis, semikonduktor dirancang untuk meminimalkan kapasitansi melalui desain tata letak internalnya, beroperasi pada tingkat tegangan yang lebih rendah dan fleksibel untuk mengaktifkan dan menonaktifkan blok fungsionalnya masing-masing jika perangkat dalam keadaan siaga atau mode fungsional “tidur pulas”.

Keandalan dalam Pengemasan Perangkat

Kinerja dalam sistem berkelanjutan dapat diukur melalui keandalan komponen dan daya tahan sistem. Keduanya dapat ditembus dengan pengoperasian perangkat semikonduktor yang beroperasi pada tingkat temperatur yang lebih tinggi. Berdasarkan lingkungan aplikasinya, paket semikonduktor juga rentan terhadap tekanan dan torsi mekanis di mana keandalan board level sangat penting untuk kelangsungan sistem.

Microchip ology Inc., bersama dengan banyak produsen semikonduktor lainnya, menggunakan paket VQFN dan TQPF untuk mengemas sirkuit terintegrasi yang kompleks, seperti kontroler sinyal digital dalam paket faktor bentuk kecil.

Paket VQFN menggunakan bantalan terbuka di permukaan bawah kemasan untuk secara efektif menghilangkan panas dalam jumlah yang tepat untuk mempertahankan sambungan yang cukup rendah terhadap resistansi termal sekitarnya (°C/W) saat perangkat beroperasi pada kapasitas maksimumnya.

Paket TQFP menggunakan kabel jenis Gull-Wing pada pengemasan tinggi profil rendah untuk menahan gaya getaran dan tekanan mekanis lainnya di lingkungan pengoperasian yang keras untuk membentuk keandalan board level yang tinggi.

Selain itu, paket sederhana memungkinkan perancang sistem berkelanjutan untuk menggunakan penutup dengan volume lebih kecil, yang tidak hanya mengurangi biaya sistem tetapi juga menggunakan lebih sedikit material. Hal ini menyebabkan volume limbah yang lebih kecil pada akhir siklus hidup produk yang dapat digunakan.

Daya Tinggi dengan Miniaturisasi Sistem

Semikonduktor yang menunjukkan kerapatan daya tinggi dinilai dapat bekerja pada tingkat daya tinggi sekaligus berada dalam footprint kecil. Ini adalah karakteristik khas dari Silicon Carbide (SiC) dan Gallium Nitride (GaN) serta modul daya yang digunakan dalam aplikasi konversi daya kendaraan bertenaga surya, angin, dan listrik.

SiC dan GaN mendukung miniaturisasi sistem konversi daya yang memungkinkan pengoperasian sistem pada frekuensi yang lebih tinggi. Operasi frekuensi yang lebih tinggi memungkinkan pengurangan ukuran dan berat pasif listrik yang diperlukan untuk mentransfer jumlah daya maksimum yang dihasilkan oleh sumber terbarukan serta mempertahankan efisiensi sistem konversi daya yang tinggi.

Keamanan Meningkatkan Daya Tahan

Fitur keamanan semikonduktor sangat penting untuk pengembangan sistem berkelanjutan. Fitur keamanan pada mikrokontroler, seperti boot yang aman dan tidak dapat diubah, dapat memungkinkan penggunaan kembali sistem yang ada secara berkelanjutan dengan memastikan integritas setiap pembaruan software yang diperlukan untuk meningkatkan kinerja sistem atau menerapkan perbaikan bug dalam kode.

Dampaknya, sebuah desain berpotensi digunakan untuk jangka waktu yang lebih lama tanpa mengalami penggantian dan selanjutnya dibuang karena telah usang.

Penyimpanan kunci yang aman dan otentikasi node adalah fitur keamanan yang diterapkan pada perangkat semikonduktor yang dapat melindungi dari serangan eksternal dan memastikan bahwa hanya kode asli yang dijalankan pada desain tertanam.

Fitur ini memungkinkan dua atau lebih sirkuit terintegrasi untuk mengenali penerimaan dan transmisi data kriptografi antara sumber “tepercaya” tanpa mengorbankan kinerja sistem.

Desain berkelanjutan adalah bagian dari ekosistem produsen dan konsumen energi dengan tantangan untuk tidak hanya menghasilkan dan menyimpan listrik dalam jumlah terbesar dari sumber terbarukan, namun juga menggunakan sistem kontrol yang efisien untuk menggunakan energi tersebut.

Semikonduktor yang dikembangkan untuk sistem produsen dan konsumen mempertimbangkan faktor desain yang berkelanjutan. Banyak vendor semikonduktor, seperti Microchip ology, berinovasi produk dengan mode konsumsi daya yang lebih rendah, peningkatan kerapatan daya, dan fitur yang canggih untuk keamanan dan keselamatan untuk memenuhi permintaan pasar akan faktor desain yang diperlukan dalam sistem berkelanjutan.

Beberapa aplikasi ini berkisar dari pompa dan kipas yang sederhana namun sangat efisien hingga pembangkit dan penyimpanan energi ramah lingkungan yang kompleks.