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 [[Zilog Z80|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 [[Tugikiibistik|tugikiibistikud]].
[[Fail:NVIDIA@220nm@Fixed-pipline@NV10@GeForce 256@T5A3202220008 S1 Taiwan A DSC01375 (29587991824).jpg|pisi|Maailma esimene graafikaprotsessor GeForce 256]]
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.:
Kasutamine.
Keskprotsessorid.
[[Pilt:Intel 8742 153056995.jpg|pisi|8-bitise [[mikrokontroller]]i [[Intel MCS-48]] (8742) integraallülitus, mis sisaldab 12 MHz [[protsessor]]i, 128 baiti [[muutmälu]] (RAM), 2048 baiti [[EPROM]]i ja [[Sisend/väljund|I/O]]-ahelaid]]
[[Keskseade|Keskprotsessor]] (keskseade, kesktöötlusseade, CPU) on arvutite ja [[Programmeeritav loogikakontroller |loogikakontrollerite]] põhiline [[riistvara]], mis tegeleb põhiliste aritmeetika ja loogika tehetega ja koordineerib [[Emaplaat|emaplaadil]] oleva riistvara tööd. Keskprotsessori põhilised komponendid on [[aritmeetika-loogikaplokk]], [[juhtplokk]] ja erinevad mäluregistrid.
Protsessoreid on võimalik liigitada käsustiku perekonna (nt [[x86]], [[ARM (arvutiarhitektuur)|ARM]]) või registrite bitilisuse alusel (nt [[Intel 8088]] 16-bitine CPU) ja ka programmide, käskude olemuse järgi ([[CISC-protsessor|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. [[Laiendplaat|Laienduskaarti]], millel on eraldiseisev graafikaprotsessor ja [[muutmälu]], nimetatakse [[Videokaart|videokaardiks]]. Emaplaadi sisse ehitatud GPU on [[integreeritud graafika]].
Maailma esimese [[Graafikaprotsessor|graafikaprotsessori]] [[GeForce 256|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: [[Simulatsioon|simulatsioonid]], [[Kolmemõõtmeline modelleerimine|3D-modelleerimine]], [[raalprojekteerimine]], [[Filmikunst|filmitööstus]], [[arhitektuur]], [[Arvutimäng|arvutimängud]], [[virtuaalreaalsus]] ja aina enam ka [[Masinõppimine|masinõpe]].
Mälukiibid.
Mälukiip ehk [[pooljuhtmälu]] on [[Mäluseade|andmesalvesti]]. Mitu mälukiipi on tavaliselt joodetud ühele laienduskaardile, moodustades [[Mälumoodul|mälumooduli]]. Pooljuhtmälu jaguneb andme säilivuse järgi [[Muutmälu|muut-]] ja [[Püsimälu|püsimäluks]] (RAM ja ROM). Andmete kirjutamise, lugemise ja kustutamise järgi jaguneb ROM vastavalt [[PROM]], [[EPROM]], [[EEPROM]] ja [[välkmälu]] ning RAM vastavalt [[SRAM]], [[Dünaamiline muutmälu|DRAM]], [[DDR SDRAM]] ja [[GDDR]].
Tootmine.
Materjalid.
Põhiline materjal mikrokiipide tootmises on [[räni]]. Tähtsad on ka [[germaanium]], [[Vask|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 [[Monokristall|monokristalle]]. [[Pilt:Siliconchip by shapeshifter.png|pisi|Integraallülituse detail läbi nelja ühenduste kihi: roosa – polükristalliline räni ("polysilicon"), hall – süvistused ("wells"), roheline – põhimik ehk substraat ("substrate")|300x300px]]
Tootmisprotsess.
Integraallülituste tootmisliin koosneb põhiliselt kuuest etapist:
Vastavaid etappe jagatakse tihti alamkategooriatesse või pannakse kokku üheks suuremaks tegevuseks.
Ettevalmistus.
Ettevalmistusprotsess algab 99,99% puhtusega [[Pooljuhtplaat|räniplaadi]], nn vahvli (ingl "wafer") saamisest.. Plaat lõigatakse välja suurest silindrikujulisest monokristallist. Järgneb vahvli siledaks lihvimine. Seeärel kantakse vahvli pinnale õhukeste kihtidena [[Pooljuht|pooljuhtivat]], [[Elektrijuht|juhtivat]] või [[Dielektrik|dielektrilist]] materjali. Ettevalmistamise täpsemad etapid sõltuvad suurel määral kiibi otstarbest ja keerukusest.
Fotolakiga katmine.
[[Fail:Photolithography lab in the LCN cleanroom.jpg|pisi|Suurem osa kiipide tootmise protsessidest toimub [[Puhasruum|puhasruumis]], et keskkonna mõju mikrokiipidele oleks võimalikult väike]]
Vahvel kaetakse valgustundliku polümeeriga ehk [[Fotoresist|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 [[Ultraviolettkiirgus|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 [[ioon]]ide ([[Elektrilaeng|laetud]] [[aatom]]ite) siirdamisega räni [[kristallivõre]]sse ("ion implantation"). Kasutatakse nii [[Katioon|katioone]] kui ka [[Anioon|anioone]], et panna paika kiibi transistoride ja teiste elementide algseisundid. Pärast ioonidega konfigureerimist eemaldatakse fotolaki kihid, mis kaitsesid erinevaid kiipide osi dopeerimise eest.
[[Fail:Different types of IC packages.jpg|pisi|400x400px|[[Kiibikorpus]]te näiteid]]
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 [[kiibikorpus |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:
Tulemusena on võimalik suhteliselt odavalt luua erisuguse otstarbega energiasäästlikke [[integraalkomponent]]e. Eriti laialt kasutatakse neid tänapäeval mobiilses [[tarbeelekroonika]]s ([[nutitelefon]]ide protsessorid ja [[SIM]]-kaardid, mitmesuguse otstarbega [[kiipkaart|kiipkaardid]], [[mälukaart|mälukaardid]] ja [[mälupulk|-pulgad]], [[pildisensor]]id), meditsiinis erinevate [[implantaat]]idena jm teaduse ning tehnika valdkondades.
Viited.
[[Kategooria:Elektroonikakomponendid]]