How big is Transistor-Gate?

Ein Transistor-Gate ist der Teil eines Transistors, der ihn ein- und ausschaltet, indem er den Elektronenfluss zwischen zwei anderen Teilen steuert, die Source und Drain heißen. In Chips der als „5-Nanometer“ bekannten Generation ist jedes Gate 18–20 Nanometer lang, gemessen entlang des Wegs von der Source zum Drain. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Dieser Name ist kein Maß für das Gate.

Größe

Die Länge eines Gates ist der Abstand zwischen Source und Drain eines Transistors, über dem das Gate liegt. Historisch bedeutete ein kürzeres Gate einen schneller schaltenden Transistor. Chiphersteller sind sich nicht einig, wie sie ihre Generationen benennen. Die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), veröffentlicht von der Ingenieurorganisation IEEE, sagt typische Abmessungen für die gesamte Branche voraus.

Die IRDS führt die „5-Nanometer“-Generation, seit 2020 in Produktion, mit Gates von 18 Nanometern Länge in ihren schnellsten Schaltungen und 20 Nanometern in ihren am dichtesten gepackten. Benachbarte Gates liegen 48 Nanometer auseinander. Die Transistoren sind auf dünnen Silizium-Finnen aufgebaut, 7 Nanometer breit und 50 Nanometer hoch. Keines dieser Maße ist so klein wie 5 Nanometer.

Spätere Generationen haben kürzere Gates. Die IRDS nennt 16–18 Nanometer für die „3-Nanometer“-Generation von 2022 und 14 Nanometer für die „2-Nanometer“-Generation von 2025. Sie erwartet, dass die Gate-Länge bei etwa 12 Nanometern nicht mehr weiter schrumpft.

Größenvergleiche

Ein 18 Nanometer langes Gate ist etwa so lang, wie ein porcines Circovirus – Stand 2026 eines der kleinsten bekannten Viren – breit ist.
Benachbarte Gates liegen 48 Nanometer auseinander, etwas mehr als die Breite eines Hepatitis-B-Virus.
Ein Nanometer entspricht kaum der Breite von fünf Siliziumatomen, sodass ein 18-Nanometer-Gate etwa 90 von ihnen überspannt.
Aneinandergereiht würden etwa 4.000 bis 5.600 Gates die Breite eines Menschenhaares überspannen, das 80.000–100.000 Nanometer breit ist.
Zehn Millionen Mal vergrößert, wäre jedes Gate 18–20 Zentimeter lang, und ein menschliches Haar wäre 800–1.000 Meter breit.

Warum die Chipnamen nicht mehr passten

Bis Mitte der 1990er-Jahre entsprach der Name einer Chip-Generation der Länge ihres Gates. Der Abstand der Metallverdrahtung des Chips, gemessen als die halbe Distanz von einer Leitung zur nächsten, lag bei etwa derselben Zahl. Dann begannen Chiphersteller, die Gates schneller zu verkleinern als alles andere, behielten dabei aber das alte Namensschema bei.

Transistoren der „130-Nanometer“-Generation hatten Gates von 70 Nanometern Länge. Als Intel 2011 bei seiner „22-Nanometer“-Generation zu flossenförmigen Transistoren wechselte, waren die Gates 26 Nanometer lang.

Die Generationsbezeichnung habe zu diesem Zeitpunkt „überhaupt keine Bedeutung mehr“ gehabt, sagte Paolo Gargini 2020 der Zeitschrift IEEE Spectrum. Gargini leitete die International Technology Roadmap for Semiconductors, die Prognose, die der IRDS vorausging. Die IRDS setzt Generationsnamen inzwischen in Anführungszeichen. Sie schlägt stattdessen vor, jede Generation nach ihrem Gate- und Leitungsabstand zu benennen: Die „5-Nanometer“-Generation würde dann G48M36 heißen.

Gates im Labor

Forschungstransistoren wurden mit weit kürzeren Gates gebaut. 2016 baute ein Team einen Transistor aus Molybdändisulfid mit einem 1 Nanometer langen Gate, wobei eine einzelne Kohlenstoffnanoröhre als Gate diente. 2017 baute ein anderes Team Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren mit 5-Nanometer-Gates, die besser abschnitten als gleich große Silizium-Transistoren. Forscher sagen voraus, dass schrumpfende Silizium-Transistoren unterhalb einer Gate-Länge von 5 Nanometern nicht mehr richtig funktionieren werden.