How big is Transistorgate?

Een transistorgate is het onderdeel van een transistor dat de transistor in- en uitschakelt, door de stroom van elektronen te regelen tussen twee andere onderdelen, de source en de drain. In chips van de generatie die bekendstaat als “5 nanometer” is elke gate 18–20 nanometer lang, gemeten langs het pad van de source naar de drain. Een nanometer is een miljardste van een meter. Die naam is geen maat voor de gate.

Grootte

De lengte van een gate is de afstand tussen de source en de drain van een transistor, waarboven de gate ligt. Vroeger betekende een kortere gate een transistor die sneller schakelt. Chipfabrikanten zijn het er niet over eens hoe ze hun generaties noemen. De International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), uitgegeven door de ingenieursorganisatie IEEE, voorspelt de typische afmetingen voor de hele sector.

De IRDS noemt de generatie “5 nanometer”, die vanaf 2020 in productie is, met gates van 18 nanometer lang in de snelste schakelingen en 20 nanometer in de dichtst op elkaar gepakte. Naburige gates staan 48 nanometer van elkaar. De transistors zijn gebouwd op dunne vinnen van silicium, 7 nanometer breed en 50 nanometer hoog. Geen van deze afmetingen is zo klein als 5 nanometer.

Latere generaties hebben kortere gates. De IRDS noemt 16–18 nanometer voor de generatie “3 nanometer” van 2022 en 14 nanometer voor de generatie “2 nanometer” van 2025. Ze verwacht dat de gatelengte bij ongeveer 12 nanometer ophoudt te krimpen.

Groottevergelijkingen

Een gate van 18 nanometer is ongeveer even lang als een porcine circovirus breed is. Dat is een van de kleinste virussen die anno 2026 bekend zijn.
Naburige gates staan 48 nanometer van elkaar, iets meer dan de breedte van een hepatitis B-virus.
Eén nanometer is maar net de breedte van vijf siliciumatomen, dus een gate van 18 nanometer overspant er ruwweg 90.
Tussen ongeveer 4.000 en 5.600 gates, achter elkaar gelegd, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, dat 80.000–100.000 nanometer breed is.
Tien miljoen keer vergroot zou elke gate 18–20 centimeter lang zijn en een mensenhaar 800–1.000 meter breed.

Waarom de namen van chips niet meer klopten

Tot halverwege de jaren negentig was de naam van een chipgeneratie gelijk aan de gatelengte. De onderlinge afstand van de metalen bedrading van de chip, gemeten als de helft van de afstand van de ene draad tot de volgende, was ongeveer hetzelfde getal. Daarna gingen chipfabrikanten de gates sneller verkleinen dan al het andere, terwijl ze het oude naamgevingspatroon behielden.

Transistors in de generatie “130 nanometer” hadden gates van 70 nanometer lang. Toen Intel in 2011 voor zijn generatie “22 nanometer” overstapte op vinvormige transistors, waren de gates 26 nanometer lang.

Het generatiegetal “had toen al absoluut geen betekenis meer”, zei Paolo Gargini in 2020 tegen IEEE Spectrum. Gargini leidde de International Technology Roadmap for Semiconductors, de voorspelling die de IRDS voorafging. De IRDS zet generatienamen nu tussen aanhalingstekens. Ze stelt voor om elke generatie in plaats daarvan te noemen naar de afstand tussen de gates en de afstand tussen de draden: de generatie “5 nanometer” zou G48M36 heten.

Gates in het laboratorium

In laboratoria zijn onderzoekstransistors gebouwd met veel kortere gates. In 2016 maakte een team een transistor van molybdeendisulfide met een gate van 1 nanometer lang, waarbij een enkele koolstofnanobuis als gate diende. In 2017 bouwde een ander team transistors van koolstofnanobuizen met gates van 5 nanometer, die beter presteerden dan siliciumtransistors van dezelfde grootte. Onderzoekers voorspellen dat steeds kleinere siliciumtransistors bij gatelengten onder de 5 nanometer niet meer goed zullen werken.