X射线技术揭露芯片秘密 | 智能医疗

发布日期:2019-10-21 10:00
瑞士和美国的研究人员有一种人工智能无损技术,可以在不损坏芯片的情况下对整个芯片进行逆向工程。


图片:Paul Scherrer

研究所谱图X射线分层摄影可以扫描整个芯片或放大特定点以显示其电路。

瑞士和加利福尼亚的科学家和工程师们已经提出了一种技术,可以在不破坏现代微处理器的情况下揭示其三维设计。

通常在今天,这种逆向工程是一个耗时的过程,涉及到费力地移除芯片中许多纳米厚的互连层中的每一层,并使用不同成像技术的层次对其进行映射,从用于较大特征的光学显微镜到用于最小特征的电子显微镜。

这项名为ptychographic x射线层摄影的新技术的发明者说,这项技术可以被集成电路设计师用来验证制造出来的芯片是否与他们的设计相匹配,也可以被政府机构用来验证那些可能秘密添加到他们所依赖的ic中的“kill switches”或硬件木马。

“这是电子芯片非破坏性逆向工程的唯一方法-不仅是逆向工程,而且保证芯片按照设计制造,”南加州大学电气和计算机工程教授安东尼F.J.列维(Anthony F.J.Levi)说,他领导了该团队的加州团队。“你可以确定铸造厂,设计的各个方面,谁做的设计。就像指纹一样。”

这项新技术是对同一团队在2017年推出的名为ptychographic computed tomography的技术的改进。这个过程使用了来自同步加速器的相干X射线束来照亮一个10微米的柱子,这个柱子已经被从芯片的其余部分切断。研究小组随后记录了x射线如何从柱子上以不同角度衍射和散射,并计算出为了形成这种图案,内部结构必须是什么。

瑞士paul scherrer institute(psi)的光子科学部门负责人、瑞士联邦理工学院(zürich)和洛桑的物理学教授gabriel aeppi解释说,使用这项新技术,“目的显然是完全避免做任何切割。”“一个拥有10亿个晶体管的现代芯片的占地面积比10微米还要大。”该组织希望有一种单一的技术能让他们对整个芯片成像,同时放大感兴趣的点。

先前的技术需要柱子,因为试图穿透整个芯片,边缘,吸收太多的X射线,产生有用的衍射图案。但是,将X射线以一定角度射入芯片会产生足够小的横截面。然而,它也产生了信息上的空白。AEPPLI解释说,通过对你所看到的进行一些假设,可以重新获得其中的一些信息。例如,我们知道真正的互连不能有特定的形状。

Aeppli说,找到X射线的直角——结果是61度——是一个平衡吸收和信息丢失的问题。

在新技术中,裸芯片被抛光到20微米的厚度,然后放置在61度倾斜的扫描台上。然后,当X射线束聚焦在芯片上时,工作台旋转芯片。光子计数照相机接收得到的衍射图样。利用低分辨率模式下的技术,研究小组在30小时内扫描了300×300微米的区域。然后他们用它放大一个直径40微米的截面,生成一个18.9纳米分辨率的3D图像,需要60个小时。利用这种高分辨率模式,研究人员可以识别使用16纳米节点技术制造的芯片中单个逆变电路的部件。


图:保罗·舍尔研究所

利用这项新技术对采用16纳米工艺制作的芯片进行了测试。科学家们先放大了红方块,然后放大了蓝圆圈,以发现逐渐变小的特征。

这是由PSI的Mirko Holler设计的第一个层摄影显微镜,可以成像12×12毫米的图像,可以轻松容纳许多芯片,例如iPhone处理器Apple A12,但还不足以容纳整个NVIDIA Volta GPU。尽管该小组在使用16纳米工艺技术制造的芯片上测试了该技术,但它将能够舒适地处理使用新的7纳米工艺技术制造的芯片,其中金属线之间的最小距离约为35至40纳米。

研究人员说,未来版本的层摄影技术可以达到2纳米的分辨率,或者将对300×300微米部分进行低分辨率检查的时间缩短到不到一小时。

这些改进将来自新一代同步辐射光源。PSI的同步加速器被认为是第三代机器。但是第四代的机器已经在启动了,比如瑞典的max iv。随着x射线光子通量的增加,该系统可以在单位时间内收集更多有用的数据,从而提高分辨率和处理速度。“我们正在考虑在未来的五、六年内,以每单位时间收集的像素为基础,将其提高1000到10000个,”aeppli说。


图片:保罗·舍尔研究所

ptychographic x射线层摄影可以显示一个逆变器的金属部分[右]。显示电路匹配良好[中间,左]。

从芯片的更多信息入手,可以进一步加快X射线层摄影术的速度。提前了解设计规则可以让系统得出结论,用更少的光子就能看到什么。事实上,aeppli怀疑这项技术的主要用途之一是寻找与设计的偏差,这可能是制造错误或更险恶的迹象。

“寻找与设计的偏差比逆向工程整个设计更容易,”他说。该团队看到了“国家安全方面(美国)的很多兴趣”。

然而,aeppli预计芯片制造商也将使用层摄影技术。他指出:“每一个拥有大型芯片制造厂的地区都有一个带有同步加速器的国家实验室。”