Integraallülitus

Integraallülitus, kiip, mikrokiip (Ingl k integrated circuit, IC, chip, microchip) on mikroelektroonikaseade, kuhu on sisse integreeritud suures hulgas takisteid, kondensaatoreid, induktiivpoole, dioode ja transistoreid, moodustades erinevaid loogikaväravaid. Integraallülituse põhielement on pingega tüüritav transistor ehk isoleeritud paisuga väljatransistor (MOSFET), mille arv ühes lülituses võib ulatuda mitme miljardini. Kiibid saavad olla nii laiaulatusliku kasutusega (nt keskprotsessorid, CPU; FPGA), kui ka spetsiifilise eesmärgiga (nt graafikaprotsessor, GPU; mikrokontrollerid; mälukiibid; ASIC). Enamik integraallülitusi (nt mitut liiki protsessorid, mälulülitused) töötleb digitaalsignaale; analoogsignaale töötlevad nt võimenduslülitused, sealhulgas operatsioonvõimendid, ja sensorid. Signaali liiki muundavad analoog-digitaal- ja digitaal-analoogmuundurid. Kiipe valmistatakse pooljuhtplaatidel, mis tavaliselt koosnevad ränist. Räniplaati töödeldakse pooljuhttehnoloogiliste võtetega mitmel tasemel, mille tulemusel tekib ühele plaadile mitu integraallülitit. Pärast plaadilt eemaldamist, pakendatakse vastav seadeldis hea soojusjuhtivusega materjali sisse. Võrreldes diskreetsetest komponentidest koosneva lülitusega, on integraallülitused väiksemad, kiiremad ja masstootmise korral ka odavamad. 20. sajandi keskpaigast alates on integraallülituste ja nende tootmise võimekus suurenenud eksponentsiaalselt. Kiire tehnoloogia arengu tulemusel suudetakse teha aina väiksemaid kiipe ja nende sees olevaid komponente. Kogu arenguprotsess järgneb üldiselt Moore'i seadust. Kiipe kasutatakse väga laialdaselt erinevates elektroonikaseadmetes (süle- ja lauaarvutid, nutitelefonid, tahvelarvutid, telerid, nutikodu seadmed jms) ja aina rohkem digitaliseeritakse algselt analoogseid seadmeid (külmkapp, röster, peegel), kus integraallüliti lisamine on keskne osa. Selle tõttu on mikrokiibi tehnoloogia kasutus igapäevane tegevus suurema osa inimkonnale. Sõnu “integraallüliti”, “kiip” ja “mikrokiip” kasutatakse tavaliselt sünonüümselt. Tihti kasutatakse ka terminit “kiip” kui integraallüliti koos tema pakendiga. Kuna 21. sajandi kiipide areng ja toodang toimub nanomeetri tasemel, siis sõna “mikrokiip” on oma otseselt tähenduselt aegunud. Mitme transistori samal kristallil realiseerimise võimalust kasutati Darlingtoni lülituse kujul alates aastast 1953. Esimene mikroskeem valmis 1958. aastal Texas Instrumendi inseneri Jack Kilby juhatusel. Vastava leiutise eest sai ta ka 2000. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Tegu oli germaaniumist tehtud hübriidlülitusega, sest sisaldas eraldi külge ühendatud komponente: üksikud kuldjuhtmed. Esimese monoliitlülituse (kõik lülituse elemendid koos ühendustega substraadi pindkihis) valmistas 1959. aastal firma Fairchild Semiconductori insener Robert Noyce. Siin rakendati juba räni pooljuhtomadusi ja algelist fotolitograafia. Tänu Noyce leiutisele lasi firma 1961. aastal välja esimese kommertsmikroskeemi ja sellest hetkest algas arvutustehnika mikroskeemide võidukäik. Algeliste integraallülituste suurimad tellijad olid USA sõjavägi ja NASA Apollo programm . 1968. aastal asutasid Robert Noyce ja Gordon Moore firma Intel Corporation (algselt NM Electronics), kes on 21. sajandini välja olnud arvutustehnika maailmas üks olulisemaid tegijaid. Firma algne plaanitud toode oli pooljuhtmälu. Alles aasta hiljem alustas Intel firma Busicom tellimisel oma esimese protsessori väljatöötamist. Tellitud süsteem oli mõeldud kalkulaatori jaoks. Lisaks erinevatele mikroskeemidele arenes sellest projektist välja esimene keskprotsessor, 2300 transistoriga 4-bitine Intel 4004. Järgnevatel aastatel tuli Intel välja aina paremate mikroprotsessoritega ja pooljuhtmälu jäi tagaplaanile. 1969. aastal asutasid kaheksa endist Fairchild Semiconductor töötajat firma Advanced Micro Devices (AMD), kes 21. sajandil on väga suur konkureerija GPU ja CPU turul. AMD esimene toode oli 4-bitine MSI nihkeregister, mille müümist alustati 1970. aastal. 1975. aastal tõi firma turule oma esimese mikroprotsessori AM9080, mis oma olemuselt oli koopia Intel 8080 kiibist. 1972. leiutas Intel esimese 8-bitise protsessori: Intel 8008. 1974. aastal asutasid kaks endist Inteli töötajat ettevõtte Zilog. Nende edukaim toode oli Z80 protsessor, mis sai väga populaarseks 1970. aastatel ja muutis nad tugevaks konkurendiks Intelile. Edu oli ajutine ja järgnevad Zilogi protsessorid ei saavutanud sama suurt edu kui Inteli uued kiibid ja selle tulemusel hakkas firma oma turuosa kaotama. 21. sajandil keskendub firma spetsiaalrakendustes kasutatavatele mikrokontrolleritele. 1974. aastal tuli ka Motorola turule enda 8-bitise mikroprotsessoriga, MC6800. 1976 leiutas Texas Instruments esimese turul kättesaadava 16-bitise mikroprotsessori, TMS9900. 1982. aastal tõi National Semiconductors turule esimese täieliku 32-bitise protsessori, NS320xx seeria. Enne seda esines mitmeid 16/32 bitiseid hübriide. 1980. aastatel loodi esimesed tugikiibistikud. Maailma esimese graafikaprotsessori GeForce 256 DDR tõi 1999. aastal turule ettevõte Nvidia, kes on 21. sajandil üks suuremaid graafikariistvara tootjaid. Nvidia suur rivaal ATI Technologies lasi välja oma visuaalprotsessori aasta hiljem. 2006. aastal ostis AMD 5,4 miljardi dollari eest ATI . Integraallülitusi võib üldiselt jagada kolme põhikategooriasse: analoogne, digitaalne ja digitaalne/analooghübriid. Tootmismeetodide põhjal saab jagada kilega, monoliit- ja hübriidlülitusteks. Mikrokiibi olemus oleneb ka talle määratud eesmärgist. Kiibil olevate transistorite arvu järgi on võimalik jagada erinevaid kiipe generatsioonidesse: SSI (Small Scale Integration) – kiibil kuni kümme transistori; 1960. aastate algus; MSI (Medium Scale Integration) – sadu kuni tuhandeid transistore; 1960. aastate lõpupool; LSI (Large Scale Integration) – kümneid tuhandeid transistore; 1970. aastad; VLSI (Very Large Scale Integration); sadu tuhandeid transistore; 1980. aastate algupool; ULSI (Ultra-Large Scale Integration); üle miljoni transistori; Keskprotsessorit (keskseade, kesktöötlusseade, CPU) kasutatakse arvutites või loogikontrollerites kui põhilise arvutusliku riistvarana. Keskseade tegeleb põhiliste aritmeetika ja loogika tehetega ja koordineerib emaplaadil oleva riistvara tööd. Keskprotsessori põhilised komponendid on aritmeetika-loogikaplokk, juhtplokk ja erinevad mäluregistrid. Vastavaid protsessoreid on võimalik liigitada käsustiku perekonna (nt x86, ARM), registrite bitilisuse alusel (nt Intel 8088 16-bitine CPU) ja ka programmide, käskude olemuse järgi (CISC (Complex Instruction Set Computer) ja RISC (Reduced Instruction Set Computer)). Graafikaprotsessor (visuaalprotsessor, GPU, VPU) on 3D- ja 2D-graafika visualiseerimiseks ja kiirendamiseks kohandatud mikroprotsessor. Võrreldes keskprotsessoriga, on GPU disainitud tegelema suurema hulga infoga, lõhkudes vastava arvutusliku tegevuse mitmeteks paralleelselt lahendatavateks tükkideks. Laienduskaarti, millel on eraldiseisev graafikaprotsessor ja muutmälu, nimetatakse videokaardiks. Emaplaadi sisse ehitatud GPU on integreeritud graafika. Graafikaprotsessoreid kasutatakse mitmes valdkonnas: simulatsioonid, 3D-modelleerimine, raalprojekteerimine (computer-aided design, CAD), filmitööstus, arhitektuur, arvutimängud, virtuaalreaalsus ja aina enam ka masinõppes. Mälukiip ehk pooljuhtmälu on integraallüliti kujul esinev andmesalvesti. Mitu mälukiipi on tavaliselt joodetud ühe laienduskaarti külge, moodustades mälumooduli. Pooljuhtmälu jaguneb andme säilivuse järgi muut- ja püsimäluks (RAM ja ROM). Andmete kirjutamise, lugemise ja kustutamise järgi jaguneb ROM vastavalt PROM, EPROM, EEPROM ja välkmälu ning RAM vastavalt SRAM, DRAM, DDR SDRAM ja GDDR. Tugikiibistiku eesmärk on ühendada omavahel emaplaadil olev protsessor ja muu siiniga ühendatud riistvara. Enamus arvutite tugikiibistik koosneb kahest kiibist: põhjasild (North Bridge) ja lõunasild (South Bridge). Põhjasilla eesmärk on vahendada suhtlust keskprotsessori ja siinil olevate laienduskaartide (põhimälu, graafikakaardid) vahel. Kõige ülejäänuga tegeleb lõunasild (USB-seadmed, kõvakettad, võrgu- ja heliseadmed). Tugikiibistiku osade ülesanded võivad varieeruda vastavalt emaplaadi tootjale. Põhiline materjal mikrokiipide tootmises on räni. Tähtsad on ka germaanium, vaskoksiid, fosfor, boor ja galliumarseniid. Germaaniumi ja räni puhtus mängib tähtsat rolli protsessori töökindluses. 20. sajandi teisest poolest alates suudetakse kasvatada väga puhtaid germaaniumi ja räni monokristalle. Integraallülituste tootmisliin koosneb põhiliselt kuuest etapist: Ladestamine (Deposition) ehk pooljuhtplaadi töötlemine ja puhastamine Fotolakiga katmine Fotolitograafia Söövitamine (Etch) Ioonidega pommitamine (Ion Implantation) ehk Dopeerimine Pakendamine Vastavaid etappe jagatakse tihti alamkategooriatesse või pannakse kokku üheks suureks tegevuseks. Ladestamisprotsess algab 99,99% puhtusega räni pooljuhtplaadist (vahvlist, wafer). Plaat lõigatakse välja suurest silindrikujulisest monokristallist, millele järgneb vahvli siledaks lihvimine. Pooljuhtivat, juhtivat või dielektrilist materjali kantakse õhukeste kihtidena plaadi peale, moodustades esimese kihi. Ladestamise täpsemad etapid sõltuvad suurel määral mikrokiibi otstarbest ja keerukusest. Vahvel kaetakse valgustundliku polümeeriga ehk fotolakiga (fotoresist, photoresist), mille lahustuvus omadused muutuvad vastavalt valguse olemasolule ja laki tüübile. Eristatakse kahte tüüpi fotoresisti: negatiiv- ja positiivresist. Negatiivse fotolaki lahustuvus väheneb valguse käes ja plaadi pind muutub tugevamaks. Positiivsel lakil on vastupidine toime: suurenev lahustuvus, mille tulemusel on võimalik tema peale luua valgusega detailseid mustreid. Positiivresisti kasutatakse kõige tihedamini, võimaldades kõrge komponendi resolutsiooniga kiipide tootmist. Selles protsessis kasutatakse UV-kiirgust, millega loodakse kõige detailsemad osad kiibil. Muutes fotolaki omadusi, on võimalik moodustada erinevaid mikrokiibi komponente nanomeetri täpsusega. Valgus lastakse läbi võrgu, maski (reticle), mis hoiab mustri skeemi, mida soovitakse plaadile kanda. Vastav etapp vajab kõige suuremat täpsust võrreldes teiste protseduuridega. Kõige suurema resolutsiooniga, väikseima lainepikkusega UV valgust genereerivad litograafia masinad võivad hinna poolest ulatuda sadadesse miljonitesse, mille tõttu toodavad maailma kõige võimsamaid kiipe üksikud firmad. Söövitamise käigus puhastatakse maha alles jäänud fotoresist. Pooljuhtplaati kuumutatakse ja pestakse kuni lõpuks on näha kiibi 3D struktuuri. Tavaliselt on võimalik teha kahte tüüpi söövitamist: märg või kuiv. Märjal söövitamisel kasutatakse keemilisi vanne, et eemaldada fotolakk, aga kuivas variandis kasutatakse gaase. Protsessi peab läbi viima ettevaatlikult, et puhastamise käigus ei eemaldataks integraallüliti tähtsaid komponente. Pärast plaadi puhastamist on vaja kiibi elektrilisi komponente kohandada. Kuna räni on pooljuhtmaterjal, siis on võimalik kasutada laenguga ioone, et muuta tema elektrijuhtivust. Selle tõttu kasutatakse katioone ja anioone, et panna paika kiibi mikroelektroonika (transistorid ja teised kontrollerid) algseisundid. Pärast ioonidega konfigureerimist eemaldatakse fotolaki kihid, mis kaitsesid erinevaid kiipide osi dopeerimise eest. Ühel pooljuhtplaadil võib korraga olla nii kümneid kui ka tuhandeid integraallüliteid, mis lõigatakse välja teemantsaega eraldiseisvateks komponentideks (kutsutakse inglise keeles die ehk stants või matriits). Seejärel asetatakse matriits substraati (substrate), mis vahendab ühendusi kiibi ja teda kasutava elektroonika jaoks. Lisatakse ka soojust hajutav materjal, mis aitab integraallülitil püsida nominaaltemperatuuril töö ajal. Pakendeid on mitmeid tüüpe vastavalt töö tingimustele. Integraallülituste miniaturiseerimine (integreerimisastme suurendamine) võimaldab realiseerida järgmisi eesmärke: transistori kanali ja ühenduste lühenemise tulemusena kasvab lülituse töökiirus (taktsagedus); väheneb transistoride võimsustarve, nii et vaatamata elementide arvu suuremisele lülituse üldine energiavajadus ei kasva; ühel kiibil saab realiseerida funktsioone, milleks seni kasutati eraldi valmistatud lülitusi; Integreerimine süsteemidesse võtab vähem ruumi; Lihtsamini kaasaskantav; odavneb tootmine, sest ühel ränikettal ehk vahvlil (ingl k wafer) on võimalik valmistada korraga sadu kiipe. Tulemusena on võimalik suhteliselt odavalt luua erisuguse otstarbega energiasäästlikke integraalkomponente. Eriti laialt kasutatakse neid tänapäeval mobiilses tarbelekroonikas (nutitelefonide protsessorid ja SIM-kaardid, mitmesuguse otstarbega kiipkaardid, mälukaardid ja -pulgad, pildisensorid), meditsiinis erinevate implantaatidena jm teaduse ning tehnika valdkondades. Elektroonikalülitus Pooljuhttehnoloogia Kolmemõõtmeline integraallülitus "Integrated Circuits - SparkFun Learn". learn.sparkfun.com. Vaadatud 28. aprillil 2024. "Sissejuhatus digitaaltehnikasse: Elektrisignaalidega seotud mõisteid". www.tud.ttu.ee. Vaadatud 28. aprillil 2024. "What are Semiconductors?". Intel (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Difference's between an Integrated Circuit and Discrete Circuit". www.rs-online.com. Vaadatud 28. aprillil 2024. "Kiip, selle kasutamine analoog- ja digitaallülitustes". vara.e-koolikott.ee. Vaadatud 28. aprillil 2024. "kiip - Eesti Entsüklopeedia". entsyklopeedia.ee. Vaadatud 28. aprillil 2024. Darlington, Sidney. "Semiconductor signal translating device. US pat. 2663806A". Hall, Eldon C. (1996). Journey to the Moon: The History of the Apollo Guidance Computer (inglise). AIAA. ISBN 978-1-56347-185-8. "Wayback Machine" (PDF). web.archive.org. Originaali arhiivikoopia seisuga 12. september 2012. Vaadatud 28. aprillil 2024.{{netiviide}}: CS1 hooldus: robot: algse URL-i olek teadmata (link) "1959: Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented | The Silicon Engine | Computer History Museum". www.computerhistory.org. Vaadatud 28. aprillil 2024. "Explore Intel's history". timeline.intel.com. Vaadatud 28. aprillil 2024. "Ajalugu, protsessor, mälu - Konspekt | Informaatika - Arvuti". AnnaAbi.ee. Vaadatud 28. aprillil 2024. Moltzau, Alex (6. mai 2020). "The Story of Advanced Micro Devices". Medium (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Am9080 - AMD - WikiChip". en.wikichip.org (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Britannica Money". www.britannica.com (inglise). 29. märts 2024. Vaadatud 28. aprillil 2024. "The Intel 8008". Intel (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Zilog Z-80 Microcomputer System - Computer - Computing History". www.computinghistory.org.uk. Vaadatud 28. aprillil 2024. "About: Motorola 6800". dbpedia.org. Vaadatud 28. aprillil 2024. "The Inside Story of Texas Instruments' Biggest Blunder: The TMS9900 Microprocessor - IEEE Spectrum". spectrum.ieee.org (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "NS320xx - Telecommunication Engineering | Wiki eduNitas.com". edunitas.com. Originaali arhiivikoopia seisuga 28. aprill 2024. Vaadatud 28. aprillil 2024. "DOS Days - NEAT Chipset". www.dosdays.co.uk. Vaadatud 28. aprillil 2024. "CNW Group | AMD | AMD Completes ATI Acquisition and Creates Processing Powerhouse". web.archive.org. 24. aprill 2008. Originaali arhiivikoopia seisuga 24. aprill 2008. Vaadatud 28. aprillil 2024. "The History of Gaming: The evolution of GPUs". shadow.tech (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. Technology, Electrical (25. aprill 2015). "Different Types of Integrated Circuits (ICs) & Their Applications & Limitation". ELECTRICAL TECHNOLOGY (Ameerika inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. PAWALE, VAIBHAV (26. mai 2021). "Integrated Circuits: SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI". Medium (inglise). Vaadatud 1. mail 2024. "Central processing unit (CPU) | Definition & Function | Britannica". www.britannica.com (inglise). 11. aprill 2024. Vaadatud 28. aprillil 2024. "1 Arvutite komponendid ja arhitektuur". eopearhiiv.edu.ee. Vaadatud 28. aprillil 2024. "What Is a GPU? Graphics Processing Units Defined". Intel (inglise). Vaadatud 1. mail 2024. "What is a GPU? - Graphics Processing Unit Explained - AWS". Amazon Web Services, Inc. (Ameerika inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "What is Semiconductor Memory? | Electronics Basics | ROHM". www.rohm.com. Vaadatud 1. mail 2024. "What is a Chipset? Types, Benefits & How to Identify Yours | Lenovo US". www.lenovo.com (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. Teal, G.K. (juuli 1976). "Single crystals of germanium and silicon—Basic to the transistor and integrated circuit". IEEE Transactions on Electron Devices. 23 (7): 621–639. DOI:10.1109/T-ED.1976.18464. ISSN 0018-9383. "Overview Of The Semiconductor Raw Materials Industry". FPT Semiconductor .,JSC (Ameerika inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "6 crucial steps in semiconductor manufacturing". www.asml.com (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Integrated Circuit - Photoresist / Alfa Chemistry". www.alfa-chemistry.com. Vaadatud 28. aprillil 2024. "Lithography principles". www.asml.com (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "ASML EUV lithography systems". www.asml.com (inglise). Vaadatud 28. aprillil 2024. "Etching a Circuit Pattern". Samsung Semiconductor Global (inglise). 31. august 2023. Vaadatud 28. aprillil 2024. "What is Ion Implantation Process of Silicon (Si) Wafer ?". XIAMEN POWERWAY (Ameerika inglise). 27. mai 2022. Vaadatud 28. aprillil 2024. "All About IC Packaging". resources.pcb.cadence.com (Ameerika inglise). 28. november 2023. Vaadatud 1. mail 2024. "AMR Future Brief| Miniaturized Electronics History of Miniaturization in Electronics". www.linkedin.com (inglise). Vaadatud 1. mail 2024.