X 射线技术可以揭示芯片的秘密！

为了避免任何不必要的削减，新技术即非破坏性的x射线分层摄像技术已到来。据悉，这种新的技术可以在不破坏任何设计的情况下揭示现代微处理器的三维结构。

作者 | Samuel K. Moore

译者 | 风车云马，责编 | 刘静

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下为译文：

瑞士和美国的研究人员提出一种非破坏性的x射线分层摄像技术，可以在不破坏整个芯片的情况下对其进行逆向工程。

图片来源: Paul Scherrer Institute(保罗·谢勒研究所)

逆向工程

x射线分层摄像技术可以对整个芯片进行扫描，也可以对一个特定的点进行放大以显示其电路。

瑞士和加利福尼亚的科学家和工程师们提出了这种新的技术，可以在不破坏任何设计的情况下揭示现代微处理器的三维结构。

这种逆向工程通常是一个耗时的过程，需要煞费苦心地移除每一个芯片上纳米级的互连层，并使用不同层次的成像技术对它们进行映射，从光学显微镜观察较大的特征，到电子显微镜观察最小的特征。

这项新技术名为ptychographic X-ray laminography（x射线分层摄像技术），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，也可以被政府机构用来验证他们的集成电路中是否秘密添加硬件木马。

“这是对电子芯片进行非破坏性逆向工程的唯一方法——不仅是逆向工程，还要保证芯片是按照设计制造的，”南加州大学电子与计算机工程教授Anthony F. J. Levi说，“它就像一个指纹。你可以在铸造、设计等方面进行确定。”

新技术的来源

这项新技术源于该团队在2017年发布的一项技术——ptychographic computed tomography（计算机断层扫描）的改进。该技术使用同步加速器的相干x射线来扫描从芯片上切下来的10微米的pillar（柱子）。然后，研究小组通过x射线以不同的角度在pillar上衍射和散射，并计算出了要产生这种图案，内部结构必须是什么样的。

“新技术显然是为了避免任何不必要的削减。”领导这项研究的Gabriel Aeppli解释说。他是保罗谢勒研究所(PSI)光子科学部门的负责人，也是瑞士联邦理工研究所的物理学教授。面对一个拥有10亿个晶体管的现代芯片，研究小组想通过一种单一的技术，不仅可以对整个芯片成像，还可以放大感兴趣的点。

先前的技术需要pillar，试图通过整个芯片的侧面，吸收很多x射线来产生一个有用的衍射图案。但是将x射线以一定角度射入芯片会得到很小的横截面，与此同时，这也产生了信息上的缺失。Aeppli解释说，这些信息可以通过对事物做一些假设来重新获得。

X射线的正确角度

Aeppli说，要找到x射线的正确角度(最终的结论是61度)，就需要平衡吸收和信息损失。

在这项新技术中，裸露的芯片被打磨至20微米的厚度，然后放置在倾斜61度的扫描台上。然后，当x射线聚焦在芯片上时，台子就会旋转芯片。光子计数照相机接收产生的衍射图样。该团队首先在低分辨率模式下，花费30个小时扫描了一个300 * 300微米的区域；然后他们放大40微米直径的部分，生成18.9纳米分辨率的3D图像，这又需要花费60个小时。利用高分辨率模式，研究人员可以识别16纳米工艺芯片中单个逆变电路的部分。

图片:保罗·谢勒研究所

x射线的分层摄像

这项新技术被用于检测使用16纳米工艺技术制成的芯片。科学家们先是放大红色的正方形，然后是蓝色的圆形，以逐步发现更小的特征。

这是PSI公司的Mirko Holler设计的第一个分层照相显微镜，可以拍摄12毫米×12毫米的图像——能够容纳很多芯片，比如iPhone处理器Apple A12，但对于整个Nvidia Volta GPU来说还不够大。该技术在使用16纳米工艺制造的芯片上进行了测试，还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。

研究人员说，未来的x射线分层摄像技术可以达到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到一个小时以内。

这些改进将来自新一代同步加速器光源。PSI的同步加速器被认为是第三代机器。但第四代机器已经开始运行，比如瑞典的MAX IV。随着更高的x射线光子通过芯片，该系统可以在单位时间内收集更多有用的数据，从而获得更高的分辨率和更快的处理速度。Aeppli说：“我们希望在未来的五到六年里，我们每单位时间收集的像素能提高1000到10000个像素。”

图片来源:保罗·谢勒研究所

Ptychographic X-ray laminography显示逆变器的金属部件[右图]。表现出与原电路的良好匹配[中图，左图]。

新技术的主要用途

通过有关芯片的更多信息，可以进一步加速x射线分层摄像技术。提前了解设计规则可以让系统在较少光子的情况下得出结论。事实上，Aeppli认为这项技术的主要用途之一是寻找与设计不符的地方，这些地方可能是制造错误或其他更危险的地方。

“从设计中寻找偏差比逆向工程更容易，”他说，“美国对此表示在国家安全方面有很多兴趣。”

不过，Aeppli预计芯片制造商也会使用x射线分层摄像技术。他指出：“每个附近有大型芯片制造厂的地区都有一些配备同步加速器的国家实验室。”

本周Aeppli, Levi和他们的团队会在《Nature Electronics》杂志上详细介绍这项技术。

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

本文为 CSDN 翻译。

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