芯片设计产业革新-超逆向技术让芯片内部设计无所遁形

2019年10月09日 作者:Teardown

瑞士和美国的研究人员开发了一种非破坏性的技术,可以在不损坏芯片的情况下对整个芯片进行逆向工程。

叠层X射线分层摄影技术可以扫描整个芯片,然后将特定区域放大以显示其电路。

瑞士和加利福尼亚的科学家和工程师研发了一项新技术,可以在不破坏芯片的情况下显示现代微处理器内部的3D设计。

通常而言,对现代微处理器进行逆向工程是一种非常耗时的操作。芯片内部有多个纳米级互联层,进行逆向工程时,一般需要精心地去除每一层互联层,并使用多种成像技术将它们映射成像,所述成像技术既包括用于较大特征的的光学显微镜,又包括用于最微细特征的电子显微镜,以及其它成像技术。

这项新技术的发明者将该技术称为“叠层X射线分层摄影技术”,它可以被集成电路设计人员用来验证所制造的芯片是否符合自己的设计,或者被关注“杀手开关”或硬件木马的政府机构用来判断IC中是否秘密添加了这些模块。

“这是对电子芯片进行非破坏性逆向工程的唯一方法,不仅可以用它对芯片进行逆向工程,还可以确保芯片按设计规格进行制造。”领导加利福尼亚方面团队的南加州大学电气与计算机工程教授Anthony FJ Levi说。 “您可以通过这些技术确定是哪家代工厂制造的芯片,也可以通过设计细节鉴别出其设计者。就像指纹一样。”

开发这项新技术的团队于2017年推出了一项被称为叠层计算机断层扫描的技术,非破坏性逆向工程技术是这项技术的改进。在这项技术中,使用来自同步加速器的相干X射线光束照亮与芯片其它部分切离的10微米铜柱,研究小组记录X射线从各种角度对该微米级铜柱产生衍射和散射的情况,并计算出和这种衍射图和散射图相匹配的内部结构。

“新技术的目标显然是更进一步,根本不需要对芯片进行任何切割。”瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)光子科学部门负责人,瑞士联邦研究所物理学教授Gabriel Aeppli解释说。苏黎世和洛桑的技术负责人领导了这项研究。 “拥有十亿个晶体管的现代芯片所占面积远大于10微米,之前的断层扫描技术只针对10微米层级。”所以,该研究小组希望采用一种新技术,能够对整个芯片进行成像,同时支持对关注区域的放大。

之前的技术需要用到铜柱,因为要产生有用的衍射图,需要从边缘穿透整个芯片,这样会吸收太多的X射线。但是,从一个特定的角度射出X射线,可以产生足够小的横截面。不过,这会在信息上产生缺口。Aeppli解释说,可以通过对所查看内容进行一些假设来重新获得某些信息。例如,我们知道真实的互连不可能具有某些形状,这些都是可以利用的假设。

Aeppli说,寻找发射X射线的正确角度的过程要解决的是射线吸收和信息损失程度的权衡问题,经确定,该角度为61度。

在新技术中,将裸芯片抛光至20微米的厚度,以61度倾斜的角度放置在扫描台上。然后,扫描台开始旋转芯片,并保证X射线束始终聚焦到芯片上,同时,光子计数相机接收所得的衍射图样。在低分辨率模式下使用这项技术,研究团队在30小时内扫描了300 x 300微米的芯片面积。然后,他们放大了芯片上直径为40微米的一部分,生成了分辨率为18.9纳米的3D图像,这个过程需要另外的60个小时。使用高分辨率模式,研究人员可以识别16纳米芯片中单个逆变器电路的各个组成部分。

这项新技术被用来检查使用16纳米工艺制造的芯片。科学家首先放大了红色正方形,然后放大了蓝色圆圈,以发现逐渐变小的特征。

这是由PSI的Mirko Holler设计的第一台分层摄影显微镜,最大可以成像12x12毫米大小的区域,这个尺寸可以轻松地容纳许多种芯片,比如iPhone处理器Apple A12,但是还不足以容纳英伟达的Volta GPU。尽管该小组测试该技术时使用的是16纳米芯片,但是这项技术可以方便地用于处理7纳米芯片,其中的金属线之间的最小距离约为35至40纳米。

研究人员表示,未来的分层摄影技术可能会达到2纳米的分辨率,或者将在低分辨率模式下检查一个300x300微米区域的时间减少到一个小时以内。

这些性能的改进来自于新一代同步加速器光源。PSI现在的同步加速器是第三代机器,不过瑞典的MAX IV已经是第四代机器了。随着更多X射线光子流过芯片,该系统每个单位时间内可以收集到更多有用的数据,从而实现更高的分辨率和更快的处理速度。Aeppli表示:“我们希望在未来的五到六年中,将每个单位时间内收集的像素从1000个提高到10000个。”

叠层X射线分层摄影技术可以揭示逆变器(右图)电路中的金属部分,结果显示电路符合既有设计(中图和左图)。

通过事先了解关于芯片的更多信息,可以提高叠层X射线分层摄影的速度。提前了解设计规则可以帮助系统在更少的光子流中得出结论。实际上,Aeppli认为这项技术的主要用途之一将是寻找芯片和具体设计规格之间的偏差,这些偏差可能意味着制造过程中的错误,或者更为严重的情形。

他说:“判断制造出的芯片是否偏离既有设计比对整个芯片进行逆向工程更加容易,而且,美国政府在国家安全方面有很大的兴趣,这也许是这项技术的一个主要用武之地。”

但是,Aeppli希望芯片制造商也使用分层摄影技术,他指出,“每个拥有大型芯片代工厂的地区周边都有一个部署了同步加速器的国家实验室,这给这项技术的应用提供了便利。”

 

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