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).

Integraallülitid on tihti kaetud pakendiga, mis aitab kaasa töötingimuste kindlusele.

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 komponendidest koosneva lülitusega, on integraalülitused väiksemad, kiiremad ja masstootluse 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.

Terminoloogia

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.

Ajaloost

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

Robert Noyce, kes leiutas esimese ränist tehtud monoliitlülituse.

Esimene mikroskeem valmis 1958. aastal Texas Instrumendi inseneri Jack Kilby juhatusel. Vastava leiutise eest sai ta ka 2000. a 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. a 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 .

Maailma esimene keskprotsessor (CPU), Intel 4004. Integraalüliti on kuldjuhtmetega ühendatud subtraadile.

1968. a asutavad Robert Noyce ja Gordon Moore firma nimega 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 tahaplaanile.

1969. a lõid 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. a 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. a loodi kahe endise Inteli töötaja poolt firma Zilog. Nende edukaim toode oli Z80 protsessor, mis sai väga populaarseks 1970. aastatel ja muutis nad tugevaks konkurentsiks 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. a tuli ka Motorola turule enda 8-bitise mikroprotsessoriga, MC6800.

1976 leiutas Texas Instruments esimese turul kättesaadava 16-bitise mikroprotsessori, TMS9900.

1982. tõi National Semiconductors turule esimese täieliku 32-bitise protsessori, NS320xx seeria. Enne seda esines mitmeid 16/32 bitiseid hübriide.

1980ndatel loodi esimesed tugikiibistikud.

Maailma esimene graafikaprotsessor GeForce 256

Maailma esimese graafikaprotsessori, GeForce 256 DDR tootis 1999. a firma Nvidia, kes on 21 . sajandil üks suurimaid graafikariistvara tootijaid. Nvidia suur rivaal ATI technologies lasi välja oma visuaalprotsessori aasta hiljem. 2006. aastal ostis AMD 5,4 miljardi dollari eest ATI .

Klassifikatsioon

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; 1960ndate algus;
• MSI (Medium Scale Integration) – sadu kuni tuhandeid transistore; 1960ndate lõpupool;
• LSI (Large Scale Integration) – kümneid tuhandeid transistore; 1970ndad;
• VLSI (Very Large Scale Integration); sadu tuhandeid transistore; 1980ndate algupool;
• ULSI (Ultra-Large Scale Integration); üle miljoni transistori;

Tüübid ja kasutus

Keskprotsessorid

8-bitise mikrokontrolleri Intel MCS-48 (8742) integraallülitus, mis sisaldab 12 MHz protsessori, 128 baiti muutmälu (RAM), 2048 baiti EPROMi ja I/O-ahelaid

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 liigendada 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

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 videokaartiks. Emaplaadi sisse ehitatud GPU on integreeritud graafika.

Graafikaprotsessoreid kasutatakse väga mitmeks otstarbeks: simulatsioonid, 3D modelleerimine, raalprojekteerimine (computer-aided design, CAD), filmitööstus, arhitektuur, arvutimängud, virtuaalreaalsus ja aina enam ka masinõppes.

Mälukiibid

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.

Tugikiibistik

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, graafikakaartid) vahel. Kõige ülejäänuga tegelab lõunasild (USB seadmed, kõvakettad, võrgu- ja heliseadmed). Tugikiibistiku osade ülesanded võivad varieeruda vastavalt emaplaadi tootjale.

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.

Integraallülituse detail läbi nelja ühenduste kihi: roosa – polükristalliline räni (polysilicon), hall – süvistused (wells), roheline – põhimik ehk substraat (substrate)

Tootmisprotsess

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.

Ladestamine

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.

Fotolakiga katmine

Suurema osa integraalüliti tootmise protsessid toimub puhasruumis, et vähendada mikrokiipidele mõjuvat interferentsi.

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.

Fotolitograafia

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.

Söövitamine

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.

Dopeerimine

Integraallülitite erinevad pakendid

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.

Pakendamine

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.

Miniaturiseerimisega kaasnevad eelised

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.

Vaata ka

• Elektroonikalülitus
• Pooljuhttehnoloogia
• Kolmemõõtmeline integraallülitus