How big is Bramka tranzystorowa?

Bramka tranzystora to ta część tranzystora, która go włącza i wyłącza, sterując przepływem elektronów między dwiema innymi częściami, zwanymi źródłem i drenem. W układach scalonych generacji nazywanej „5 nanometrów” każda bramka ma 18–20 nanometrów długości, mierzonej wzdłuż drogi od źródła do drenu. Nanometr to miliardowa część metra. Nazwa „5 nanometrów” nie oznacza rozmiaru bramki.

Rozmiar

Długość bramki to odstęp między źródłem a drenem tranzystora; bramka leży nad tym odstępem. Historycznie krótsza bramka oznaczała tranzystor, który przełącza się szybciej. Producenci układów scalonych nie są zgodni co do tego, jak nazywać swoje generacje. Międzynarodowa mapa drogowa urządzeń i systemów (IRDS), publikowana przez organizację inżynierską IEEE, prognozuje typowe wymiary dla całej branży.

IRDS wymienia generację „5 nanometrów”, produkowaną od 2020 roku, z bramkami o długości 18 nanometrów w najszybszych obwodach i 20 nanometrów w obwodach o największej gęstości upakowania. Sąsiednie bramki dzieli odległość 48 nanometrów. Tranzystory są zbudowane na cienkich krzemowych żebrach o szerokości 7 nanometrów i wysokości 50 nanometrów. Żaden z tych wymiarów nie jest równie mały jak 5 nanometrów.

Kolejne generacje mają krótsze bramki. IRDS podaje 16–18 nanometrów dla generacji „3 nanometry” z 2022 roku i 14 nanometrów dla generacji „2 nanometry” z 2025 roku. Przewiduje, że długość bramek przestanie się zmniejszać na poziomie około 12 nanometrów.

Porównania rozmiarów

Bramka o długości 18 nanometrów jest mniej więcej tak długa, jak szeroki jest cyrkowirus świń – w 2026 roku jeden z najmniejszych znanych wirusów.
Sąsiednie bramki dzieli odległość 48 nanometrów, nieco więcej niż szerokość wirusa zapalenia wątroby typu B.
Jeden nanometr ma szerokość zaledwie pięciu atomów krzemu, więc bramka o długości 18 nanometrów obejmuje ich około 90.
Około 4000–5600 bramek ułożonych jedna za drugą miałoby długość równą szerokości ludzkiego włosa, który ma 80 000–100 000 nanometrów szerokości.
Po powiększeniu dziesięć milionów razy każda bramka miałaby 18–20 centymetrów długości, a ludzki włos 800–1000 metrów szerokości.

Dlaczego nazwy układów scalonych przestały odpowiadać rozmiarom

Do połowy lat 90. XX wieku nazwa generacji układów scalonych była równa długości bramki. Rozstaw metalowych przewodów w układzie, mierzony jako połowa odległości od jednego przewodu do następnego, miał mniej więcej tę samą wartość. Później producenci zaczęli zmniejszać bramki szybciej niż pozostałe elementy, ale zachowali dawny sposób nazywania generacji.

Tranzystory generacji „130 nanometrów” miały bramki o długości 70 nanometrów. Gdy w 2011 roku firma Intel przeszła na tranzystory w kształcie żebra w generacji „22 nanometry”, bramki miały 26 nanometrów długości.

Paolo Gargini powiedział w 2020 roku magazynowi IEEE Spectrum, że numer generacji „nie miał już wtedy absolutnie żadnego znaczenia”. Gargini kierował Międzynarodową mapą drogową technologii półprzewodnikowych, prognozą, która poprzedzała IRDS. IRDS zapisuje obecnie nazwy generacji w cudzysłowie. Proponuje, by zamiast tego nazywać każdą generację według rozstawu bramek i rozstawu przewodów: generacja „5 nanometrów” miałaby oznaczenie G48M36.

Bramki w laboratorium

Zbudowano tranzystory badawcze z dużo krótszymi bramkami. W 2016 roku zespół badaczy wykonał z disiarczku molibdenu tranzystor, w którym bramka miała długość 1 nanometra; jako bramki użyto pojedynczej nanorurki węglowej. W 2017 roku inny zespół zbudował tranzystory z nanorurek węglowych o bramkach długości 5 nanometrów. Działały lepiej niż krzemowe tranzystory tego samego rozmiaru. Badacze przewidują, że zmniejszane tranzystory krzemowe przestaną prawidłowo działać przy długości bramki poniżej 5 nanometrów.