מה הגודל של שער טרנזיסטור?

שער טרנזיסטור הוא החלק בטרנזיסטור שמדליק ומכבה אותו, על ידי שליטה בזרימת האלקטרונים בין שני חלקים אחרים, המכונים המקור והשפך. בשבבים מהדור המכונה "5 ננומטר", אורכו של כל שער הוא 18–20 ננומטרים, הנמדד לאורך המסלול מהמקור אל השפך. ננומטר הוא מיליארדית המטר. השם הזה אינו מידה של השער.

גודל

אורכו של שער הוא הרווח בין המקור לשפך של הטרנזיסטור, והשער יושב מעל הרווח הזה. בעבר, שער קצר יותר הביא לטרנזיסטור שמחליף מצב מהר יותר. יצרני השבבים אינם מסכימים ביניהם כיצד לקרוא לדורות. מפת הדרכים הבין-לאומית להתקנים ולמערכות (IRDS), שמפרסם ארגון ההנדסה IEEE, צופה את המידות הטיפוסיות בתעשייה כולה.

ה-IRDS מציגה את הדור "5 ננומטר", שנמצא בייצור מ-2020, עם שערים באורך 18 ננומטרים במעגליו המהירים ביותר ו-20 ננומטרים במעגליו הצפופים ביותר. שערים סמוכים מרוחקים זה מזה 48 ננומטרים. הטרנזיסטורים בנויים על סנפירים דקים של סיליקון ברוחב 7 ננומטרים ובגובה 50 ננומטרים. אף אחת מהמידות האלה אינה קטנה כמו 5 ננומטרים.

בדורות מאוחרים יותר השערים קצרים יותר. ה-IRDS מציינת 16–18 ננומטרים לדור "3 ננומטר" של 2022 ו-14 ננומטרים לדור "2 ננומטר" של 2025. היא צופה שאורך השערים יפסיק לקטון כשיגיע לכ-12 ננומטרים.

השוואות גודל

• שער באורך 18 ננומטרים ארוך בערך כמו רוחבו של נגיף צירקו חזירי, אחד הנגיפים הקטנים ביותר הידועים נכון ל-2026.
• שערים סמוכים מרוחקים זה מזה 48 ננומטרים, מעט יותר מרוחבו של נגיף הפטיטיס B.
• ננומטר אחד הוא בקושי רוחבם של חמישה אטומי סיליקון, ולכן שער באורך 18 ננומטרים משתרע על פני כ-90 מהם.
• בין כ-4,000 לכ-5,600 שערים, מונחים זה אחר זה, היו משתרעים על פני רוחבה של שערת אדם, שרוחבה 80,000–100,000 ננומטרים.
• אילו הוגדלו פי עשרה מיליון השערים ושערת אדם, כל שער היה באורך 18–20 סנטימטרים והשערה הייתה ברוחב 800–1,000 מטרים.

מדוע שמות השבבים חדלו להתאים

עד אמצע שנות ה-90, שמו של כל דור שבבים היה אורך השער שלו. מרווח החיווט המתכתי של השבב, הנמדד כחצי מהמרחק מחוט אחד לחוט הסמוך, היה בערך אותו מספר. אחר כך החלו יצרני השבבים להקטין את השערים מהר יותר מכל דבר אחר, ובמקביל שמרו על דפוס השמות הישן.

בטרנזיסטורים מהדור "130 ננומטר" היו שערים באורך 70 ננומטרים. כשאינטל עברה לטרנזיסטורים בצורת סנפיר בדור "22 ננומטר" שלה ב-2011, אורך השערים היה 26 ננומטרים.

מספר הדור "כבר אז לא היה בעל שום משמעות", אמר פאולו גרג'יני ל-IEEE Spectrum ב-2020. גרג'יני עמד בראש מפת הדרכים הטכנולוגית הבין-לאומית למוליכים למחצה, התחזית שקדמה ל-IRDS. כיום ה-IRDS מדפיסה את שמות הדורות במרכאות. במקום זאת היא מציעה לקרוא לכל דור לפי המרווח בין השערים והמרווח בין החוטים: הדור "5 ננומטר" ייקרא G48M36.

שערים במעבדה

נבנו טרנזיסטורי מחקר עם שערים קצרים בהרבה. ב-2016 יצר צוות טרנזיסטור ממוליבדן דיסולפיד עם שער באורך ננומטר אחד, תוך שימוש בננו-צינורית פחמן אחת כשער. ב-2017 בנה צוות אחר טרנזיסטורים מננו-צינוריות פחמן עם שערים של 5 ננומטרים, שהפגינו ביצועים טובים יותר מאלה של טרנזיסטורי סיליקון באותו גודל. חוקרים צופים שטרנזיסטורי סיליקון לא יפעלו כראוי אם אורך השער שלהם יקטן מ-5 ננומטרים.

מקורות

• International Roadmap for Devices and Systems 2020 Edition: More Moore. IEEE, 2020.
• International Roadmap for Devices and Systems 2022 Edition: More Moore. IEEE, 2022.
• A Better Way to Measure Progress in Semiconductors. Samuel K. Moore, IEEE Spectrum, 2020.
• MoS2 Transistors with 1-Nanometer Gate Lengths. Desai et al., Science, 2016.
• Scaling Carbon Nanotube Complementary Transistors to 5-nm Gate Lengths. Qiu et al., Science, 2017.
• Conformational Changes and Nuclear Entry of Porcine Circovirus without Disassembly. Wang et al., Journal of Virology, 2019.
• Hepatitis B Virus Biology. Seeger and Mason, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2000.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.