ترانزیستورهای سه‌بعدی در پردازنده‌ها

[saberi]

ترانزیستور قطعه‌ای است که برای تقویت و سوییچ جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در نمونه‌های رایج دارای سه پایه است. جریان الکتریکی از طریق یکی از پایه‌ها وارد ترانزیستور می‌شود و سپس با سوییچ بین دو یا چند پایه دیگر، این جریان از ترانزیستور خارج خواهد شد ضمن اینکه این جریان هنگام خروج تقویت می‌شود و این دو ویژگی از مهم‌ترین دلایل تفاوت ترانزیستورها هستند. البته این تعریف را می‌توان برای درک عملکرد کلی ترانزیستورها استفاده کرد و آنچه در وسایل دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد اندکی با این مفهوم تفاوت دارد. امروزه در اغلب تجهیزات دیجیتالی، ترانزیستورها از طریق میدان القایی به تقویت جریان الکتریکی و ایجاد سیگنال کمک می‌کنند.
اینتل در فناوری جدید خود نسل نوینی از ترانزیستورها را معرفی کرده است که با عبارت سه‌بعدی شناخته می‌شوند زیرا می‌توانند در سه جهت فعالیت کنند. به دلیل استفاده از این شیوه به آنها tri-gate هم گفته می‌شود زیرا جریان الکتریکی از طریق سه مدخل وارد این ترانزیستورها خواهد شد. در این ترانزیستورها علاوه بر یک سطح افقی، دو سطح عمودی نیز در کنار آن دیده می‌شوند و سه سطح برای عبور الکترون‌ها ایجاد شده است که این شیوه باعث افزایش کارایی تا ۳۷ درصد می‌شود و در مقابل ۵۰ درصد انرژی کمتری برای دستیابی به کارایی مشابه در نسل قبلی نیاز است. اینتل دلیل این موضوع را افزایش القا و کاهش نشت الکترونی عنوان کرده است. این روش با اینکه چندان پیچیده به نظر نمی‌رسد اما عملکرد قابل توجهی دارد. ترانزیستورها در دو حالت روشن و خاموش فعالیت می‌کنند و با افزایش مدخل‌ها در حالت خاموش ممکن است تحت تاثیر میدان القایی ایجادشده از جریان الکتریکی، موقعیت ترانزیستور صفر نشود اما آنچه در عمل دیده می‌شود قطع کامل توان در حالت خاموش ترانزیستور است که این موضوع در کاهش مصرف توان نیز موثر خواهد بود. در مقابل امکان سوییچ سریع بین این دو وضعیت فراهم شده است و تراشه‌هایی که با استفاده از این شیوه ساخته می‌شوند عملکرد بهتری خواهند داشت.
یک ترانزیستور ۲۲ نانومتری می‌تواند در مدت یک ثانیه ۱۰۰ میلیارد بار تغییر وضعیت دهد و جالب است بدانید اگر قرار بود یک کلید چراغ را با همین تعداد دفعات، خاموش و روشن کنید حدود دو هزار سال زمان نیاز داشتید. نکته دیگر اینکه کارخانجات اینتل در هر ثانیه پنج میلیارد ترانزیستور تولید می‌کنند و تولیدات آن در یک سال به ۱۵۰ هزار تریلیارد (۱۵۰×۱۰۱۵ ) ترانزیستور می‌رسد. یکی دیگر از شگفتی‌های این ترانزیستورها نیز به ابعاد آنها مربوط می‌شود. به عنوان مثال اندازه نقطه‌ای که در انتهای این جمله قرار گرفته برابر با فضای لازم برای شش میلیون ترانزیستور است.

 اینتل اعلام کرده است کلیه محصولات خود را در آینده با استفاده از این شیوه تولید خواهد کرد. جالب است بدانید ترانزیستورهای tri-gate سال‌ها پیش از سوی رقیب اینتل مورد توجه قرار گرفته بودند و در سال ۲۰۰۳ شرکت AMD اعلام کرده بود برای افزایش راندمان ترانزیستورها و کاهش نشت الکترونی از ترانزیستورهایی با سه دروازه استفاده خواهد کرد، با این حال بعد از آن AMD هیچ‌گاه به این شیوه اشاره نکرد و تنها در حد یک خبر باقی ماند. در اردیبهشت امسال اینتل خبر پردازنده‌های ایوی‌بریج را منتشر کرد که از این روش استفاده می‌کنند. البته این شرکت زمان طراحی این ترانزیستورها را سال ۲۰۰۲ اعلام کرد که تاکنون به مرحله اجرا نرسیده بود و اولین محصولات آن ۱۰ سال پس از بررسی آزمایشگاهی در سال ۲۰۱۲ وارد بازار خواهند شد.
اهمیت دستیابی به این فناوری جدید بسیار زیاد است، به طوری که از این پس پیش‌بینی می‌شود تمام تجهیزاتی که در آنها تراشه‌‌های دیجیتالی به کار رفته‌اند از ترانزیستورهای سه‌بعدی استفاده کنند. این محصولات تنها شامل پردازنده‌ها نمی‌شوند و می‌توان گستره وسیعی از تلفن‌های همراه تا تلویزیون‌ها را در این دسته قرار داد. سال‌ها پیش زمانی که اولین رایانه تولید شد در آن از ترانزیستورهای لامپی استفاده شده بود و مساحتی معادل یک زمین فوتبال داشت.