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利用X射线实现对集成电路内部结构的三维成像,可检测电路是否被插入恶意电路

    日前,瑞士一研究小组利用X射线束照射一块英特尔处理器,并通过这种方法对晶体管芯片的三维布线进行了成像重构。研究小组称,在未来,他们将实现对芯片内部的高清晰、大规模成像。

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图为X射线成像示意图


    逆向工程法

    该技术与目前芯片厂家常用的检验芯片的方式不同,目前的逆向工程法采用逐层拆除处理器芯片层的方式,并用电子显微镜对内部结构进行成像,逆向工程发能够帮助公司检验其知识产权是否被滥用。


    原理

    该材料的灵活性以及对外部影响的耐久性,使其符合可用于工业加工的标准聚合物技术,将该复合材料转化为实际应用指日可待。

该复合材料特别适合纳米电子学新兴领域的应用,诸如电路和晶体管等“经典”电子元件可在小于100纳米的规模上实现,从而可应用于更加前沿的技术,例如应用于更快的电脑处理器。


    应用

    尽管这种利用X射线的方法目前没有被广泛采用,但它还有很多其他用途,比如,该方法可以检测芯片中是否被插入了恶意电路——硬件木马。

实验过程

    实验过程如下:研究人员对一个已知内部结构的芯片——一个对光探测器进行数据读取的ASIC——进行结构重构成像,研究小组发现了芯片设计和检测之间的匹配关系,并且研究出了检测特定电路特性的方法。

    继而,研究人员开始对英特尔处理器内部电路进行成像。该ASIC采用110纳米芯片制造技术,但英特尔处理器采用22纳米生产工艺。

    在实验中,研究小组使用了一个用于圆柱样品的优化过的实验装置,他们不得不在芯片上雕刻一个10微米宽的柱,以便完成成像工作。在未来,团队目标是在不破坏电路结构的基础上对电路进行成像。


    成像分辨率

    该方法在任一方向的分辨率都只有14.6nm,因此将晶体管元件分辨开来是很难的,而提高检测分辨率也并非易事。按照摩尔定律,芯片的尺寸会越来越小,这意味着对分辨率的要求也会越来越高。

    团队的研究成员Gabriel Aeppli表示,这不是他们第一次想要利用X射线对电路内部进行成像,虽然几年来成像技术的分辨率一直在提高,但是无论对于任何成像技术来讲,我们所要成像的芯片的规模都还是太大了!


    提高检测速度

    在成像过程中,样品必须保持足够稳定,干涉仪需要连续多次测量样品的位置,团队成员Mirko Holler表示,通过X射线对样品进行照射大概需要24小时的时间,而数据处理则需要更长的时间,增加一个辅助计算机可以加速数据的处理速度,对X射线源或其他实验装置进行改进,也可以大幅度提升成像速度。


    X射线优势

    美国SLAC国家实验室的教授Jerry Hastings表示:“在此之前,我没有找到其他的方式能实现在不破坏处理器的前提下对其进行成像,而X射线的独特之处就在于,它能够同时提供高的分辨率和穿透力。”


    难以发现的隐性操作

    James还表示,根据芯片封装方式,传统的拆除技术一般使用沸腾硫酸浴,然而对很多电路来说,这种方法可行性较差。他指出,很多芯片电路可以由小的电子显微镜图片拼凑而成。他说:“你可以根据小区域的成像结果推算出整个电路的情况。”

    并且,即使得到了整个芯片的重构图像,该芯片的制造过程仍然有很多你不了解的部分。James说,“很多步骤是隐性的。除非在加工过程中留有指纹或者残留物,否则你不可能真正知道加工者具体都做了什么,你只能从结构中进行推断。”


    存在障碍

    虽然利用X射线能够得到更大、更高分辨率的图像,它仍然面临着一些问题。例如,对最先进芯片的特征尺寸进行高分辨率成像就是一个挑战。另一个障碍是需要同步加速器发射源。虽然在世界各地有一定数量的同步加速器,但是它们并没有办法进入芯片制造工厂。

    由于存在上述问题,该项成像技术目前最好的应用对象是较老工艺制造的、细节特征较明显的芯片,而这种芯片多用于在军事及空间应用。James说,“如果你能够看到完整的芯片,那么你就可以将它与原本的设计进行直接对比,查看是否存在明显的错误或者被插入了恶意电路。”


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