Transistör kapısı, transistörü açıp kapatan parçadır. Bunu, kaynak ve savak denen iki parça arasındaki elektron akışını denetleyerek yapar. “5 nanometre” olarak bilinen nesildeki çiplerde her kapı 18–20 nanometre uzunluğundadır; bu uzunluk kaynaktan savağa giden yol boyunca ölçülür. Bir nanometre, bir metrenin milyarda biridir. “5 nanometre” adı kapının bir ölçüsü değildir.

Boyut

Kapının uzunluğu, transistörün kaynağı ile savağı arasındaki aralıktır; kapı bu aralığın üzerinde durur. Eskiden kapı kısaldıkça transistör daha hızlı anahtarlama yapardı. Çip üreticileri nesillerini nasıl adlandıracakları konusunda anlaşamıyor. Mühendislik kuruluşu IEEE’nin yayımladığı Uluslararası Aygıtlar ve Sistemler Yol Haritası (IRDS), tüm sektör için tipik boyutları öngörüyor.

IRDS, 2020’den beri üretimde olan “5 nanometre” neslini listeliyor: en hızlı devrelerinde kapılar 18 nanometre, en sıkı paketlenmiş devrelerinde 20 nanometre uzunluğunda. Komşu kapılar birbirinden 48 nanometre aralıklı. Transistörler, 7 nanometre genişliğinde ve 50 nanometre yüksekliğinde ince silisyum kanatçıklar üzerine kurulu. Bu boyutların hiçbiri 5 nanometre kadar küçük değil.

Sonraki nesillerde kapılar daha kısa. IRDS, 2022’nin “3 nanometre” nesli için 16–18 nanometre, 2025’in “2 nanometre” nesli için 14 nanometre veriyor. IRDS, kapı uzunluklarının yaklaşık 12 nanometrede küçülmeyi bırakacağını bekliyor.

Boyut karşılaştırmaları

• 18 nanometrelik bir kapının uzunluğu, 2026 itibarıyla bilinen en küçük virüslerden biri olan domuz sirkovirüsünün genişliğiyle yaklaşık aynıdır.
• Komşu kapılar arasındaki uzaklık 48 nanometredir ve bu, bir hepatit B virüsünün genişliğinden biraz fazladır.
• Bir nanometre, ancak beş silisyum atomunun genişliği kadardır; bu yüzden 18 nanometrelik bir kapıya bu atomlardan kabaca 90 tanesi sığar.
• Uç uca dizilen yaklaşık 4.000 ile 5.600 arasında kapı, bir insan saçının kalınlığını baştan başa kaplardı. Saçın kalınlığı 80.000–100.000 nanometredir.
• On milyon kat büyütülse, her kapı 18–20 santimetre uzunluğunda, bir insan saçı da 800–1.000 metre kalınlığında olurdu.

Çip adları neden ölçülerle uyuşmaz oldu

1990’ların ortasına kadar bir çip neslinin adı, kapı uzunluğuna eşitti. Çipteki metal bağlantı hatlarının aralığı da, yani bir hattan sonraki hatta olan uzaklığın yarısı, yaklaşık aynı sayıydı. Sonra çip üreticileri kapıları diğer her şeyden daha hızlı küçültmeye başladı, ama eski adlandırma düzenini sürdürdü.

“130 nanometre” neslindeki transistörlerin kapıları 70 nanometre uzunluğundaydı. Intel, 2011’de “22 nanometre” nesli için kanatçık biçimli transistörlere geçtiğinde kapılar 26 nanometre uzunluğundaydı.

Paolo Gargini, 2020’de IEEE Spectrum’a, nesil numarasının “o zamana gelindiğinde kesinlikle hiçbir anlamı kalmadığını” söyledi. Gargini, IRDS’den önceki öngörü çalışması olan Uluslararası Yarı İletken Teknoloji Yol Haritası’nı yönetmişti. IRDS artık nesil adlarını tırnak içinde yazıyor. Bunun yerine her nesli kapı aralığı ve hat aralığıyla adlandırmayı öneriyor: “5 nanometre” nesli G48M36 olurdu.

Laboratuvarda kapılar

Araştırma transistörleri çok daha kısa kapılarla üretildi. 2016’da bir ekip, kapı olarak tek bir karbon nanotüp kullanarak molibden disülfürden, kapısı 1 nanometre uzunluğunda bir transistör yaptı. 2017’de başka bir ekip, 5 nanometrelik kapılara sahip karbon nanotüp transistörler üretti; bunlar aynı boyuttaki silisyum transistörlerden daha iyi çalıştı. Araştırmacılar, küçültülen silisyum transistörlerin kapı uzunluğu 5 nanometrenin altına inince düzgün çalışmayı bırakacağını öngörüyor.

Kaynaklar

• 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.