How big is Затвор транзистора?

Затвор транзистора — це частина транзистора, яка вмикає й вимикає його, керуючи потоком електронів між двома іншими частинами, що називаються витоком і стоком. У мікросхемах покоління, відомого як «5 нанометрів», кожен затвор має довжину 18–20 нанометрів, яку вимірюють уздовж шляху від витоку до стоку. Нанометр — це мільярдна частка метра. Ця назва не означає розмір затвора.

Розмір

Довжина затвора — це проміжок між витоком і стоком транзистора, над яким розташований затвор. Раніше коротший затвор означав транзистор, що швидше перемикається. Виробники мікросхем не мають єдиної думки щодо того, як називати свої покоління. Міжнародна дорожня карта пристроїв і систем (IRDS), яку публікує інженерна організація IEEE, прогнозує типові розміри для всієї галузі.

IRDS наводить покоління «5 нанометрів», яке випускають з 2020 року, із затворами завдовжки 18 нанометрів у найшвидших схемах і 20 нанометрів у найщільніше упакованих. Сусідні затвори розташовані на відстані 48 нанометрів один від одного. Транзистори побудовано на тонких кремнієвих ребрах завширшки 7 нанометрів і заввишки 50 нанометрів. Жоден із цих розмірів не є таким малим, як 5 нанометрів.

Пізніші покоління мають коротші затвори. Для покоління «3 нанометри» 2022 року IRDS наводить 16–18 нанометрів, а для покоління «2 нанометри» 2025 року — 14 нанометрів. IRDS очікує, що довжина затворів перестане зменшуватися приблизно на позначці 12 нанометрів.

Порівняння розмірів

Затвор завдовжки 18 нанометрів має приблизно таку саму довжину, як ширина свинячого цирковірусу — одного з найменших відомих вірусів станом на 2026 рік.
Сусідні затвори розташовані на відстані 48 нанометрів один від одного, що трохи більше за ширину вірусу гепатиту B.
Один нанометр — це заледве п’ять атомів кремнію завширшки, тож затвор завдовжки 18 нанометрів охоплює приблизно 90 атомів кремнію.
Приблизно від 4 000 до 5 600 затворів, викладені в ряд встик, дорівнювали б за довжиною ширині людської волосини, завширшки 80 000–100 000 нанометрів.
Якби затвори й людську волосину збільшили в десять мільйонів разів, кожен затвор мав би довжину 18–20 сантиметрів, а людська волосина — ширину 800–1 000 метрів.

Чому назви мікросхем перестали збігатися з розмірами

До середини 1990-х років назва покоління мікросхем збігалася з довжиною затвора. Крок металевої розводки мікросхеми — половина відстані від одного провідника до наступного — становив приблизно те саме число. Потім виробники почали зменшувати затвори швидше за все інше, зберігши стару схему назв.

Транзистори покоління «130 нанометрів» мали затвори завдовжки 70 нанометрів. Коли в 2011 році компанія Intel для свого покоління «22 нанометри» перейшла на транзистори у формі ребра, довжина затворів становила 26 нанометрів.

Номер покоління «на той час уже не мав абсолютно жодного значення», — сказав Паоло Гарджіні виданню IEEE Spectrum у 2020 році. Гарджіні очолював Міжнародну технологічну дорожню карту напівпровідників — прогноз, що передував IRDS. Тепер IRDS друкує назви поколінь у лапках. Натомість IRDS пропонує називати кожне покоління за кроком затворів і кроком провідників: покоління «5 нанометрів» називалося б G48M36.

Затвори в лабораторії

Дослідні транзистори будували з набагато коротшими затворами. У 2016 році одна дослідницька група виготовила транзистор із дисульфіду молібдену із затвором завдовжки 1 нанометр, використавши як затвор єдину вуглецеву нанотрубку. У 2017 році інша група побудувала транзистори на вуглецевих нанотрубках із затворами завдовжки 5 нанометрів, які працювали краще, ніж кремнієві транзистори такого самого розміру. Дослідники прогнозують, що кремнієві транзистори, якщо їх зменшувати, перестануть нормально працювати за довжини затвора, меншої за 5 нанометрів.