為了避免任何不必要的削減，新技術(shù)即非破壞性的x射線分層攝像技術(shù)已到來。據(jù)悉，這種新的技術(shù)可以在不破壞任何設(shè)計(jì)的情況下揭示現(xiàn)代微處理器的三維結(jié)構(gòu)。

　　譯者 |風(fēng)車云馬，責(zé)編 | 劉靜

　　出品 | CSDN(ID：CSDNnews)

　　以下為譯文：

　　瑞士和美國的研究人員提出一種非破壞性的x射線分層攝像技術(shù)，可以在不破壞整個(gè)芯片的情況下對(duì)其進(jìn)行逆向工程。

　　逆向工程

　　x射線分層攝像技術(shù)可以對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行掃描，也可以對(duì)一個(gè)特定的點(diǎn)進(jìn)行放大以顯示其電路。

　　瑞士和加利福尼亞的科學(xué)家和工程師們提出了這種新的技術(shù)，可以在不破壞任何設(shè)計(jì)的情況下揭示現(xiàn)代微處理器的三維結(jié)構(gòu)。

　　這種逆向工程通常是一個(gè)耗時(shí)的過程，需要煞費(fèi)苦心地移除每一個(gè)芯片上納米級(jí)的互連層，并使用不同層次的成像技術(shù)對(duì)它們進(jìn)行映射，從光學(xué)顯微鏡觀察較大的特征，到電子顯微鏡觀察最小的特征。

　　這項(xiàng)新技術(shù)名為ptychographic X-ray laminography(x射線分層攝像技術(shù))，它可以被集成電路設(shè)計(jì)人員用來驗(yàn)證制造出來的芯片是否符合他們的設(shè)計(jì)，也可以被政府機(jī)構(gòu)用來驗(yàn)證他們的集成電路中是否秘密添加硬件木馬。

　　“這是對(duì)電子芯片進(jìn)行非破壞性逆向工程的唯一方法——不僅是逆向工程，還要保證芯片是按照設(shè)計(jì)制造的，”南加州大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程教授Anthony F. J. Levi說，“它就像一個(gè)指紋。你可以在鑄造、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行確定。”

　　新技術(shù)的來源

　　這項(xiàng)新技術(shù)源于該團(tuán)隊(duì)在2017年發(fā)布的一項(xiàng)技術(shù)——ptychographic computed tomography(計(jì)算機(jī)斷層掃描)的改進(jìn)。該技術(shù)使用同步加速器的相干x射線來掃描從芯片上切下來的10微米的pillar(柱子)。然后，研究小組通過x射線以不同的角度在pillar上衍射和散射，并計(jì)算出了要產(chǎn)生這種圖案，內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須是什么樣的。

　　“新技術(shù)顯然是為了避免任何不必要的削減。”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Gabriel Aeppli解釋說。他是保羅謝勒研究所(PSI)光子科學(xué)部門的負(fù)責(zé)人，也是瑞士聯(lián)邦理工研究所的物理學(xué)教授。面對(duì)一個(gè)擁有10億個(gè)晶體管的現(xiàn)代芯片，研究小組想通過一種單一的技術(shù)，不僅可以對(duì)整個(gè)芯片成像，還可以放大感興趣的點(diǎn)。

　　先前的技術(shù)需要pillar，試圖通過整個(gè)芯片的側(cè)面，吸收很多x射線來產(chǎn)生一個(gè)有用的衍射圖案。但是將x射線以一定角度射入芯片會(huì)得到很小的橫截面，與此同時(shí)，這也產(chǎn)生了信息上的缺失。Aeppli解釋說，這些信息可以通過對(duì)事物做一些假設(shè)來重新獲得。

　　X射線的正確角度

　　Aeppli說，要找到x射線的正確角度(最終的結(jié)論是61度)，就需要平衡吸收和信息損失。

　　在這項(xiàng)新技術(shù)中，裸露的芯片被打磨至20微米的厚度，然后放置在傾斜61度的掃描臺(tái)上。然后，當(dāng)x射線聚焦在芯片上時(shí)，臺(tái)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)芯片。光子計(jì)數(shù)照相機(jī)接收產(chǎn)生的衍射圖樣。該團(tuán)隊(duì)首先在低分辨率模式下，花費(fèi)30個(gè)小時(shí)掃描了一個(gè)300 * 300微米的區(qū)域;然后他們放大40微米直徑的部分，生成18.9納米分辨率的3D圖像，這又需要花費(fèi)60個(gè)小時(shí)。利用高分辨率模式，研究人員可以識(shí)別16納米工藝芯片中單個(gè)逆變電路的部分。

　　x射線的分層攝像

　　這項(xiàng)新技術(shù)被用于檢測(cè)使用16納米工藝技術(shù)制成的芯片�？茖W(xué)家們先是放大紅色的正方形，然后是藍(lán)色的圓形，以逐步發(fā)現(xiàn)更小的特征。

　　這是PSI公司的Mirko Holler設(shè)計(jì)的第一個(gè)分層照相顯微鏡，可以拍攝12毫米×12毫米的圖像——能夠容納很多芯片，比如iPhone處理器Apple A12，但對(duì)于整個(gè)Nvidia Volta GPU來說還不夠大。該技術(shù)在使用16納米工藝制造的芯片上進(jìn)行了測(cè)試，還將能夠輕松處理使用新7納米工藝技術(shù)制造的芯片，其中金屬線之間的最小距離約為35至40納米。

　　研究人員說，未來的x射線分層攝像技術(shù)可以達(dá)到2納米的分辨率，或者將300 * 300微米的低分辨率檢測(cè)時(shí)間縮短到一個(gè)小時(shí)以內(nèi)。

　　這些改進(jìn)將來自新一代同步加速器光源。PSI的同步加速器被認(rèn)為是第三代機(jī)器。但第四代機(jī)器已經(jīng)開始運(yùn)行，比如瑞典的MAX IV。隨著更高的x射線光子通過芯片，該系統(tǒng)可以在單位時(shí)間內(nèi)收集更多有用的數(shù)據(jù)，從而獲得更高的分辨率和更快的處理速度。Aeppli說：“我們希望在未來的五到六年里，我們每單位時(shí)間收集的像素能提高1000到10000個(gè)像素。”

　　Ptychographic X-ray laminography顯示逆變器的金屬部件[右圖]。表現(xiàn)出與原電路的良好匹配[中圖，左圖]。

　　新技術(shù)的主要用途

　　通過有關(guān)芯片的更多信息，可以進(jìn)一步加速x射線分層攝像技術(shù)。提前了解設(shè)計(jì)規(guī)則可以讓系統(tǒng)在較少光子的情況下得出結(jié)論。事實(shí)上，Aeppli認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)的主要用途之一是尋找與設(shè)計(jì)不符的地方，這些地方可能是制造錯(cuò)誤或其他更危險(xiǎn)的地方。

　　“從設(shè)計(jì)中尋找偏差比逆向工程更容易，”他說，“美國對(duì)此表示在國家安全方面有很多興趣。”

　　不過，Aeppli預(yù)計(jì)芯片制造商也會(huì)使用x射線分層攝像技術(shù)。他指出：“每個(gè)附近有大型芯片制造廠的地區(qū)都有一些配備同步加速器的國家實(shí)驗(yàn)室。”

　　本周Aeppli, Levi和他們的團(tuán)隊(duì)會(huì)在《Nature Electronics》雜志上詳細(xì)介紹這項(xiàng)技術(shù)。

　　原文：https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/design/xray-tech-lays-chip-secrets-bare