Integraallülitus

**Integraallülitus, kiip, mikrokiip** (inglise keeles *integrated circuit, IC, chip, microchip*) on elektroonikalülitus, kuhu on integreeritud (lülituseks kokku ühendatud) suurel hulgal takisteid, kondensaatoreid, induktiivpoole, dioode ja transistore, 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 integraallülitust. Pärast plaadilt väljalõikamistmist pakendatakse integraallülitusega plaadike hea soojusjuhtivusega materjalist korpusesse

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. Kogu arenguprotsess järgib üldiselt Moore'i seadust.

Kiipe kasutatakse väga laialdaselt erinevates elektroonikaseadmetes (süle- ja lauaarvutid, nutitelefonid, tahvelarvutid, telerid, nutikodu seadmed jms) ja aina rohkem lisatakse kiipe kodumasinatele ja -seadmetele, et pakub uusi kasutusvõimalusi.

## Terminoloogia
Sõnu “integraallülitus”, “kiip” ja “mikrokiip” kasutatakse tavaliselt sünonüümselt. Kuna  praegusel ajal toimub kiipide arendus ja tootmine nanomeetri mõõtkavas (pidades silmas transistori kui lülituse põhitegija mõõtmeid), siis sõna “mikrokiip” on oma otseselt tähenduselt aegunud. 

Täpsemalt väljendades on kiip (ingl *chip*) pooljuhtplaadike koos sellel valmistatud lülitusega, kuid kiibiks nimetatakse ka niisugust korpuse ja väljaviikudega varustatud elektroonikakomponenti.

## Ajaloost
Mitme transistori samal kristallil realiseerimise võimalust kasutati Darlingtoni lülituse kujul alates aastast 1953.

Esimene nn mikroskeem valmis 1958. aastal Texas Instrumentsi 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. Esimese monoliitlülituse (kõik lülituse elemendid koos ühendustega substraadi ehk põhimiku pindkihis) valmistas 1959. aastal firma Fairchild Semiconductori insener Robert Noyce. Siin rakendati juba räni pooljuhtomadusi ja algelist fotolitograafiat. Tänu Noyce leiutisele lasi firma 1961. aastal välja esimese kommertsmikroskeemi ja sellest hetkest algas arvutustehnika integraallülituste 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 integraalkomponentidele 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 Semiconductori töötajat firma Advanced Micro Devices (AMD), kes 21. sajandil on väga suur konkureerija graafika- ja keskprotsessorite 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.

## Liigitus
Integraallülitusi võib üldiselt jagada kolme põhikategooriasse: analoogne, digitaalne ja digitaalne/analooghübriid. Tootmismeetodite põhjal saab eristada kile-, monoliit- ja hübriidlülitusi. Mikrokiibi olemus oleneb ka talle määratud eesmärgist. 

Kiibil olevate transistoride arvu järgi on võimalik jagada kiipe eri 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. 

## Kasutamine
### Keskprotsessorid

Keskprotsessor (keskseade, kesktöötlusseade, CPU) on arvutite ja loogikakontrollerite põhiline riistvara, mis tegeleb põhiliste aritmeetika ja loogika tehetega ja koordineerib emaplaadil oleva riistvara tööd. Keskprotsessori põhilised komponendid on aritmeetika-loogikaplokk, juhtplokk ja erinevad mäluregistrid.
Protsessoreid on võimalik liigitada käsustiku perekonna (nt x86, ARM) või 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*)).

### Graafikaprotsessorid
Graafikaprotsessor (visuaalprotsessor, GPU, VPU) on 3D- ja 2D-graafika visualiseerimiseks ja kiirendamiseks kohandatud mikroprotsessor. Keskprotsessoriga võrreldes on GPU disainitud tegelema suurema hulga infoga, mistõttu arvutustegevus on jaotatud mitmeteks paralleelselt lahendatavateks osadeks. Laienduskaarti, millel on eraldiseisev graafikaprotsessor ja muutmälu, nimetatakse videokaardiks. Emaplaadi sisse ehitatud GPU on integreeritud graafika.

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 .

Graafikaprotsessoreid kasutatakse mitmes valdkonnas: simulatsioonid, 3D-modelleerimine, raalprojekteerimine, filmitööstus, arhitektuur, arvutimängud, virtuaalreaalsus ja aina enam ka masinõpe.

### Mälukiibid
Mälukiip ehk pooljuhtmälu on andmesalvesti. Mitu mälukiipi on tavaliselt joodetud ühele laienduskaardile, 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.

## Tootmine
### Materjalid
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. 

### Tootmisprotsess
Integraallülituste tootmisliin koosneb põhiliselt kuuest etapist:
* Ettevalmistav töötlemine
* Fotolakiga katmine
* Fotolitograafia
* Söövitamine
* Dopeerimine toimub peamiselt ioonidega pommitamise teel
* Kiibikorpusesse paigaldamine

Vastavaid etappe jagatakse tihti alamkategooriatesse või pannakse kokku üheks suuremaks tegevuseks.

#### Ettevalmistus
Ettevalmistusprotsess algab 99,99% puhtusega räniplaadi, nn vahvli (ingl *wafer*) saamisest.. Plaat lõigatakse välja suurest silindrikujulisest monokristallist. Järgneb vahvli siledaks lihvimine. Seeärel kantakse vahvli pinnale õhukeste kihtidena pooljuhtivat, juhtivat või dielektrilist materjali. Ettevalmistamise täpsemad etapid sõltuvad suurel määral kiibi otstarbest ja keerukusest.

#### Fotolakiga katmine

Vahvel kaetakse valgustundliku polümeeriga ehk fotolakiga (fotoresist, *photoresist*), mille lahustuvusomadused 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: koos valgusega suurenev lahustuvus, mille tulemusel on võimalik  luua valgusega detailseid mustreid. Positiivresisti kasutatakse kõige tihedamini, võimaldades kõrge komponendi resolutsiooniga kiipide tootmist.

#### Fotolitograafia
Selles protsessis kasutatakse UV-kiirgust, millega loodakse kõige detailsemad osad kiibil. Muutes fotolaki omadusi, on võimalik moodustada erinevaid mikrokiibielemente nanomeetri täpsusega. Valgus lastakse läbi maski (*reticle*), mis määrab mustri, mida soovitakse plaadile kanda. 

Vastav etapp vajab kõige suuremat täpsust võrreldes teiste protseduuridega. Kõige suurema resolutsiooniga, väikseima lainepikkusega UV-valgust genereerivate litograafiaseadmete hinnad võivad ulatuda sadadesse miljonitesse, mille tõttu toodavad maailma kõige võimsamaid kiipe sinult üksikud firmad.

#### Söövitamine
Söövitamise käigus puhastatakse plaat 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 kiibi tähtsaid koostisosi.

#### Dopeerimine
Pärast plaadi puhastamist on vaja kiibi eri piirkondi elektriliselt kohandada. Räni kui pooljuhtmaterjali  elektrijuhtivust on võimalik soovitud suunas muuta sobivate ioonide (laetud aatomite) siirdamisega räni kristallivõresse (*ion implantation*). Kasutatakse nii katioone kui ka anioone, et panna paika kiibi transistoride ja teiste elementide algseisundid. Pärast ioonidega konfigureerimist eemaldatakse fotolaki kihid, mis kaitsesid erinevaid kiipide osi dopeerimise eest.

#### Korpusesse pakendamine
Ühel pooljuhtplaadil võib korraga olla nii kümneid kui ka tuhandeid lülitusi, mis lõigatakse välja teemantsaega eraldiseisvateks integraallülitusega plaadikesteks (kiipideks). Seejärel paigaldatakse iga kiip [korpustesse, mis vahendab ühendusi kiibi ja teda kasutava elektroonika jaoks. Lisatakse ka [Soojusjuhtivus|soojust hajutav materjal, mis aitab kiibil püsida töö ajal lubatud temperatuurivahemikus. Kiibikorpusi on palju tüüpe  

## Miniaturiseerimisega kaasnevad eelised
Integraallülituste miniaturiseerimine (integreerimistaseme suurendamine) võimaldab realiseerida mitmeid 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;
*integraalkomponendid muutuvad väiksemaks ja kergemaksi;
*odavneb tootmine, sest ühel vahvlil on võimalik valmistada korraga sadu kiipe.

Tulemusena on võimalik suhteliselt odavalt luua erisuguse otstarbega energiasäästlikke integraalkomponente. Eriti laialt kasutatakse neid tänapäeval mobiilses tarbeelekroonikas (nutitelefonide protsessorid ja SIM-kaardid, mitmesuguse otstarbega kiipkaardid, mälukaardid ja -pulgad, pildisensorid), meditsiinis erinevate implantaatidena jm teaduse ning tehnika valdkondades.

## Vaata ka
*Elektroonikalülitus
*Pooljuhttehnoloogia
*Kolmemõõtmeline integraallülitus
* Kiibikorpus
*555 taimer

## Viited