How big is 晶体管栅极?

晶体管栅极是晶体管中控制其开关的部件，它通过控制电子在另外两个部件——源极和漏极——之间的流动来实现这一点。在被称为“5 纳米”世代的芯片中，每个栅极沿源极到漏极的路径测量，长度为 18–20 纳米。纳米是十亿分之一米。这个“5 纳米”的名称并不是栅极的实际尺寸。

大小

栅极的长度，是晶体管源极和漏极之间的间隙，栅极就架在这段间隙之上。从历史上看，栅极越短，晶体管的开关速度就越快。各芯片制造商对世代命名并没有统一的标准。由工程组织 IEEE 发布的《国际器件与系统路线图》（IRDS）对整个行业的典型尺寸做出预测。

IRDS 列出的“5 纳米”世代芯片从 2020 年开始投产，其最快电路中的栅极长 18 纳米，排列最密的电路中栅极长 20 纳米。相邻栅极间距为 48 纳米。这些晶体管建在宽 7 纳米、高 50 纳米的硅质薄鳍上。这些尺寸没有一个小到 5 纳米。

更晚的世代栅极更短。IRDS 给出的数据是：2022 年的“3 纳米”世代栅极长 16–18 纳米，2025 年的“2 纳米”世代栅极长 14 纳米。它预计栅极长度会在大约 12 纳米处停止缩小。

大小比较

一个 18 纳米长的晶体管栅极，长度和猪圆环病毒——截至 2026 年已知最小的病毒之一——的宽度差不多。
相邻两个栅极之间相距 48 纳米，比乙型肝炎病毒的宽度略宽一些。
一纳米大约相当于五个硅原子排列起来的宽度，因此一个 18 纳米长的栅极大约相当于 90 个硅原子的宽度。
大约 4000 到 5600 个栅极首尾相连，长度就相当于一根人类头发的宽度——人类头发宽 8 万至 10 万纳米。
放大一千万倍后，每个栅极会变成 18–20 厘米长，人类头发的宽度则会变成 800–1000 米。

芯片名称为何不再准确反映尺寸

在 20 世纪 90 年代中期以前，芯片一代产品的名称就是其栅极长度。芯片金属布线的间距——即相邻两条导线之间距离的一半——数值也大致相同。后来，芯片制造商开始比其他部分更快地缩小栅极，却仍沿用旧的命名方式。

“130 纳米”这一代的晶体管，栅极长度为 70 纳米。2011 年，英特尔在“22 纳米”这一代转向鳍式晶体管时，栅极长度为 26 纳米。

保罗·加吉尼（Paolo Gargini）在 2020 年对 IEEE Spectrum 表示，那时这个世代编号“已经完全没有意义”。加吉尼曾领导国际半导体技术路线图（ITRS），这是 IRDS 的前身预测项目。如今，IRDS 会给世代名称加上引号，并提议改用栅极间距和导线间距来命名：例如“5 纳米”这一代应称为 G48M36。

实验室中的栅极

研究人员已经制造出栅极短得多的实验性晶体管。2016 年，一个团队用二硫化钼制成了一种晶体管，其栅极长度为 1 纳米，用的是一根碳纳米管作栅极。2017 年，另一个团队制造出栅极长度为 5 纳米的碳纳米管晶体管，其性能优于同等尺寸的硅晶体管。研究人员预计，硅晶体管一旦缩小到栅极长度低于 5 纳米，就无法正常工作。