ما حجم بوابة الترانزستور؟

بوابة الترانزستور هي الجزء الذي يشغّل الترانزستور ويوقفه، إذ تتحكم في تدفق الإلكترونات بين جزأين آخرين يُسمّيان المصدر والمصرف. في الرقائق من الجيل المعروف باسم «5 نانومترات»، يبلغ طول كل بوابة 18–20 نانومترًا، ويُقاس على امتداد المسار من المصدر إلى المصرف. والنانومتر جزء من مليار من المتر. واسم الجيل هذا ليس قياسًا للبوابة.

الحجم

طول البوابة هو المسافة بين مصدر الترانزستور ومصرفه، وتقع البوابة فوق هذه المسافة. وكانت البوابة الأقصر تعني تاريخيًا ترانزستورًا أسرع في التبديل. ولا تتفق الشركات المصنّعة للرقائق على طريقة تسمية أجيالها. وتنشر المنظمة الهندسية IEEE «خريطة الطريق الدولية للأجهزة والأنظمة» (IRDS)، وهي تتوقع الأبعاد النموذجية للصناعة كلها.

تُدرج IRDS الجيل «5 نانومترات»، الذي بدأ إنتاجه عام 2020، ببوابات طولها 18 نانومترًا في أسرع دوائره و20 نانومترًا في أكثرها تراصًّا. وتفصل 48 نانومترًا بين كل بوابتين متجاورتين. وتُبنى الترانزستورات على زعانف رقيقة من السيليكون عرضها 7 نانومترات وارتفاعها 50 نانومترًا. وليس أي من هذه الأبعاد بصغر 5 نانومترات.

وللأجيال اللاحقة بوابات أقصر. تذكر IRDS الطول 16–18 نانومترًا للجيل «3 نانومترات» لعام 2022، و14 نانومترًا للجيل «2 نانومتر» لعام 2025. وتتوقع أن تتوقف أطوال البوابات عن الانكماش عند نحو 12 نانومترًا.

مقارنات الحجم

يقارب طول البوابة البالغ 18 نانومترًا عرض فيروس حلقي خنزيري، وهو من أصغر الفيروسات المعروفة حتى عام 2026.
تفصل 48 نانومترًا بين كل بوابتين متجاورتين، وهو أكثر قليلًا من عرض فيروس التهاب الكبد البائي.
عرض النانومتر الواحد بالكاد يعادل عرض خمس ذرات سيليكون، ولذلك تمتد بوابة طولها 18 نانومترًا على نحو 90 ذرة منها.
لو وُضعت ما بين نحو 4,000 و5,600 بوابة واحدةً تلو الأخرى لامتدّت على عرض شعرة الإنسان، التي يبلغ عرضها 80,000–100,000 نانومتر.
لو جرى تكبير البوابات عشرة ملايين مرة، لبلغ طول كل بوابة 18–20 سنتيمترًا، ولبلغ عرض شعرة الإنسان 800–1,000 متر.

لماذا لم تعد أسماء الرقائق مطابقة للأحجام

حتى منتصف تسعينيات القرن الماضي كان اسم جيل الرقاقة هو طول بوابته. وكان تباعد الأسلاك المعدنية في الرقاقة، ويُقاس بنصف المسافة بين سلك وآخر، قريبًا من الرقم نفسه. ثم بدأت الشركات المصنّعة تصغّر البوابات بسرعة أكبر من كل ما سواها، مع إبقاء نمط التسمية القديم.

كان طول بوابات ترانزستورات الجيل «130 نانومترًا» 70 نانومترًا. وحين انتقلت شركة إنتل إلى ترانزستورات على شكل زعنفة لجيلها «22 نانومترًا» عام 2011، بلغ طول البوابات 26 نانومترًا.

قال باولو غارجيني لمجلة IEEE Spectrum عام 2020 إن رقم الجيل «لم يعد له حينئذ أي معنى على الإطلاق». وقاد غارجيني «خريطة الطريق التقنية الدولية لأشباه الموصلات»، وهي التوقعات التي سبقت IRDS. وتضع IRDS الآن أسماء الأجيال بين علامات تنصيص. وتقترح بدلًا من ذلك تسمية كل جيل بتباعد بواباته وتباعد أسلاكه، فيصبح الجيل «5 نانومترات» G48M36.

البوابات في المختبر

بُنيت ترانزستورات بحثية ببوابات أقصر بكثير. ففي عام 2016 صنع فريق ترانزستورًا من ثنائي كبريتيد الموليبدنوم ببوابة طولها 1 نانومتر، مستخدمًا أنبوبًا نانويًا كربونيًا واحدًا بوصفه البوابة. وفي عام 2017 بنى فريق آخر ترانزستورات من الأنابيب النانوية الكربونية ببوابات طولها 5 نانومترات، وكان أداؤها أفضل من أداء ترانزستورات السيليكون بالحجم نفسه. ويتوقع باحثون أن تتوقف ترانزستورات السيليكون المصغّرة عن العمل بصورة سليمة عند أطوال بوابات دون 5 نانومترات.