How big is Poarta tranzistorului?

Poarta tranzistorului este partea unui tranzistor care îl pornește și îl oprește, controlând fluxul de electroni dintre alte două părți, numite sursă și drenă. În cipurile din generația cunoscută drept „5 nanometri”, fiecare poartă are o lungime de 18–20 de nanometri, măsurată pe traseul de la sursă la drenă. Un nanometru este o miliardime de metru. Această denumire nu este o măsurătoare a porții.

Dimensiune

Lungimea unei porți este distanța dintre sursa și drena unui tranzistor, peste care se află poarta. Din punct de vedere istoric, o poartă mai scurtă însemna un tranzistor cu comutare mai rapidă. Producătorii de cipuri nu cad de acord asupra modului în care să-și denumească generațiile. Foaia de parcurs internațională pentru dispozitive și sisteme (IRDS), publicată de organizația de inginerie IEEE, prevede dimensiunile tipice pentru întreaga industrie.

IRDS include generația „5 nanometri”, aflată în producție din 2020, cu porți lungi de 18 nanometri în cele mai rapide circuite și de 20 de nanometri în cele mai dens împachetate. Porțile vecine se află la 48 de nanometri distanță una de alta. Tranzistorii sunt construiți pe aripioare subțiri de siliciu, late de 7 nanometri și înalte de 50 de nanometri. Niciuna dintre aceste dimensiuni nu este la fel de mică ca 5 nanometri.

Generațiile ulterioare au porți mai scurte. IRDS indică 16–18 nanometri pentru generația „3 nanometri” din 2022 și 14 nanometri pentru generația „2 nanometri” din 2025. IRDS se așteaptă ca lungimea porților să nu se mai micșoreze după aproximativ 12 nanometri.

Comparații de dimensiune

O poartă de 18 nanometri este aproximativ la fel de lungă cât este de lat un circovirus porcin, unul dintre cei mai mici viruși cunoscuți în 2026.
Porțile vecine se află la 48 de nanometri una de alta, ceva mai mult decât lățimea unui virus al hepatitei B.
Un nanometru măsoară abia cât lățimea a cinci atomi de siliciu, așa că o poartă de 18 nanometri acoperă aproximativ 90 dintre ei.
Între aproximativ 4.000 și 5.600 de porți puse cap la cap ar acoperi grosimea unui fir de păr uman, care are o grosime de 80.000–100.000 de nanometri.
Dacă totul ar fi mărit de zece milioane de ori, fiecare poartă ar avea o lungime de 18–20 de centimetri, iar un fir de păr uman ar avea o grosime de 800–1.000 de metri.

De ce numele cipurilor au încetat să se potrivească

Până la mijlocul anilor 1990, numele unei generații de cipuri era lungimea porții. Distanța dintre firele din cablajul metalic al cipului, măsurată ca jumătate din distanța de la un fir la următorul, avea aproximativ aceeași valoare. Apoi producătorii de cipuri au început să micșoreze porțile mai repede decât orice altceva, păstrând totuși vechiul tipar de denumire.

Tranzistorii din generația „130 de nanometri” aveau porți cu o lungime de 70 de nanometri. Când Intel a trecut la tranzistori în formă de aripioară pentru generația sa „22 de nanometri”, în 2011, porțile aveau o lungime de 26 de nanometri.

Numărul generației „nu mai avea până atunci absolut nicio semnificație”, a declarat Paolo Gargini pentru IEEE Spectrum în 2020. Gargini a condus Foaia de parcurs tehnologică internațională pentru semiconductori, previziunea care a precedat IRDS. IRDS pune acum denumirile generațiilor între ghilimele. În schimb, propune ca fiecare generație să fie denumită după distanța dintre porți și distanța dintre firele de cablaj: generația „5 nanometri” ar fi G48M36.

Porțile în laborator

S-au construit tranzistori de cercetare cu porți mult mai scurte. În 2016, o echipă a realizat un tranzistor din disulfură de molibden, cu o poartă lungă de 1 nanometru, folosind ca poartă un singur nanotub de carbon. În 2017, o altă echipă a construit tranzistori cu nanotuburi de carbon, având porți de 5 nanometri, care au avut performanțe mai bune decât tranzistorii din siliciu de aceeași dimensiune. Cercetătorii prevăd că tranzistorii din siliciu nu vor mai funcționa corect dacă sunt micșorați sub o lungime a porții de 5 nanometri.