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X 射线技术可揭露芯片更深层的秘密

翻译自——spectrum,By Samuel K. Moore
 
瑞士和美國研究人員用一種非破壞性的技術,可以在不破壞整個芯片的情況下對其進行反向工程

Ptychographic X-ray laminography can scan an entire chip or zoom in on a particular spot to reveal its circuits.

Ptychographic X 射線分層攝影法可以對整個芯片進行掃描,也可以對特定點進行放大以顯示其電路
 
瑞士和加利福尼亞的科學家們提出了一種新技術,它可以在不破壞微處理器結構的情況下,顯示其三維設計。
 
這種逆向工程通常是一個耗時的過程,需要煞費苦心地移除芯片內部裏的許多納米級互連層,並使用不同的成像技術層次對它們進行映射,從光學顯微鏡觀察較大的特征,用電子顯微鏡觀察最小的特征。
 
这项名为ptychographic X -ray laminography的新技术的发明者表示,它可以被集成电路设计人员用来验证制造出来的芯片是否符合他们的设计,或者政府机构可以用它来验证可能被秘密添加到集成电路中的“断路开关”(“kill switches”)或硬件木马。
 
南加州大学电子与计算机工程教授Anthony F. J. Levi表示:“这是对电子芯片进行非破坏性逆向工程的唯一方法——不仅如此,我们还要保证芯片是按照设计制造出来的”,“它就像一个指纹,去跟踪每一个制造环节的出处。”
 
這項新技術是該團隊在2017年發布的改進版,該技術被稱爲ptychographic [1]計算機斷層掃描。其過程是用來自同步加速器的相幹X 射線來照射從芯片部分切下來的10微米的柱子上。然後,研究小組記錄X 射線如何在柱子上以不同的角度衍射和散射,並計算出要産生這種圖案的內部結構是什麽樣子。
 
瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)光子科学部门的负责人Gabriel Aeppli解释,我们的目标是完全避免任何晶体的切割。Gabriel Aeppli同时也是苏黎世和洛桑瑞士联邦理工学院的物理学教授,领导这项研究。“一个拥有10亿个晶体管的现代芯片的引脚比10微米要大的多。这个小组想用一种单一的技术,可以让他们对整个芯片进行成像,还可以放大特定的局部领域。
 
先前的技術需要晶圓柱的參與,因爲我們要試圖透過整個晶片的邊緣,吸收大量的X 射線,才能産生有用的衍射圖案。X射線以一定角度射入芯片,就能形成足夠小的橫截面。然而,它也會産生了信息上的誤差。Aeppli解釋說,一些信息可以通過對你正在看的東西做一些假設來重新評估。比方說,我們知道真實的互連不能有特定的形狀。
 
Aeppli還表示,要找到X射線的正確角度(61°),平衡吸收和信息損失是一大問題。

The new technique was used to examine a chip made using 16 nanometer process technology. The scientists zoomed in on first the red square and then the blue circle to find progressively smaller features.

新技術被用于檢測16納米工藝技術制成的芯片。科學家們先是放大紅色的正方形,然後是藍色的圓形,以逐步發現更小的特征。
 
在这项新技术中,将裸露的芯片被打磨至20微米的厚度,之后放置在倾斜61°的扫描台上。当X 射线聚焦在芯片上时,扫描台就会旋转芯片。光子计数照相机接收到产生的衍射图样。利用低分辨率模式下的技术,该团队在30小时内扫描了一个300 * 300微米的区域。
 
然後他們把40微米直徑的部分進行放大,生成一個18.9納米分辨率的3D圖像,這個過程又需要60個小時。之後,研究人員利用高分辨率模式,可以識別出16納米節點技術制作的芯片中單個逆變電路的部分。
 
这是PSI公司Mirko Holler设计的第一个层照相显微镜,可以拍摄12毫米×12毫米的图像,这个图像可容纳很多芯片,比如iPhone处理器Apple A12,但对于整个Nvidia Volta GPU来说还是有点小。尽管该小组在16纳米工艺技术制造的芯片上测试了这项技术,但它将能够轻松处理使用新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。该小组在一个16纳米工艺技术的芯片上测试了这项技术,据悉,它将能够轻松处理那些使用7纳米工艺技术,金属线之间的最小距离在35到40纳米之间的芯片。
 
研究人员表示,未来的层压成像技术可以达到2纳米的分辨率,或者将300 * 300微米的低分辨率检测时间缩短在一个小时之内。

Ptychographic X-ray laminography could reveal the metal parts of an inverter [right]. Showing a good match for the circuit [middle, left].

Ptychographic X -ray laminography可以显示逆变器的金属部件[右]。表现出与电路的良好配合[中,左]。
 
這些技術的改進最大的功勞當屬新一代同步加速器同步光源。PSI的同步加速器被認爲是第三代機器。與此同時,第四代機器已經開始運行,比如瑞典的MAX  IV。隨著更高的X 射線光子通量通過芯片,該系統可以在單位時間內收集更多有用的數據,從而獲得更高的分辨率和更快的處理速度。Aeppli說到:“我們希望在未來的五到六年裏,我們每單位時間收集的像素能提高1000到10000像素。”
 
通過從更多的芯片信息入手,可以進一步加速改進Ptychographic X 射線分層攝影法。提前了解設計規則可以讓系統在較少光子的情況下得出結論。Aeppli設想這項技術的主要用途之一是尋找與設計不符的地方,這些地方可能是制造錯誤或其他更危險影響。
 
“從設計中尋找偏差比逆向工程整個設計更容易,” Aeppli說。對于這項技術,美國在國家安全方面有很多興趣。
 
不過,Aeppli預計芯片制造商也會使用層壓成像技術。他指出:“每個大型芯片制造廠的附近都有一些配備同步加速器的國家實驗室。”
 
這項全新技術已刊登在《自然電子》雜志上。
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[1] Ptychography是一種無透鏡成像技術,采用光學和電子束重建圖像的相位和幅值。

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