X射线技术揭露芯片秘密

瑞士和加利福尼亚的科学家和工程师们已经提出了一种手艺，能够在不损坏现代微处理器的情形下揭示其三维设计。

平日在今天，这种逆向工程是一个耗时的过程，涉及到辛苦地移除芯片中很多纳米厚的互连层中的每一层，并使用分歧成像手艺的条理对其进行映射，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射线层摄影的新手艺的发现者说，这项手艺能够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成家，也能够被当局机构用来验证那些或者机要添加到他们所依靠的IC中的“kill switches”或硬件木马。

“这是电子芯片非损坏性逆向工程的独一方式-[并且]不光是逆向工程，并且包管芯片按照设计制造，”南加州大学电气和较量机工程传授Anthony F. J. Levi说，他向导了该团队的加州团队。“你能够确定锻造厂，设计的各个方面，谁做的设计。就像指纹一般。”

这项新手艺是对统一团队在2017年推出的名为ptychographic computed tomography的手艺的改善。这个过程使用了来自同步加快器的相关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门割断。研究小组随跋文录了x射线若何从柱子上以分歧角度衍射和散射，并较量出为了形成这种图案，内部构造必需是什么。

瑞士Paul Scherrer Institute (PSI)的光子科学部门负责人、瑞士联邦理工学院和洛桑（Swiss Federal Institutes of Technology in Zürich and Lausanne）的物理学传授Gabriel Aeppli注释说，使用这项新手艺，“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。”该组织进展有一种单一的手艺能让他们对整个芯片成像，同时放大感乐趣的点。

先前的手艺需要晶柱子的介入，因为我们要试图透过整个晶片的边缘，接收大量的X 射线，才能发生有效的衍射图案。然则，将X射线以必然角度射入芯片会发生充沛小的横截面。然而，它也发生了信息上的空白。Aeppli注释说，经由对你所看到的进行一些假设，能够从新获得个中的一些信息。例如，我们知道真正的互连不克有特定的外形。

Aeppli还透露，要找到X射线的准确角度(61°)，均衡接收和信息损失是一大问题。

在这项新手艺中，将..的芯片被打磨至20微米的厚度，放置在61度倾斜的扫描台上。当X射线束聚焦在芯片上时，工作台扭转芯片。光子计数拍照机领受获得的衍射图样。行使低差别率模式下的手艺，研究小组在30小时内扫描了300×300微米的区域。然后他们把40微米直径的部门进行放大，生成一个18.9纳米差别率的3D图像，这个过程又需要60个小时。之后，研究人员行使高差别率模式，能够识别出16纳米节点手艺建造的芯片中单个逆变电路的部门。

这是PSI公司Mirko Holler设计的第一个层拍照显微镜，能够拍摄12毫米×12毫米的图像，这个图像可容纳好多芯片，好比iPhone处理器Apple A12，但对于整个Nvidia Volta GPU来说照样有点小。尽管该小组在使用16纳米工艺手艺制造的芯片上测试了该手艺，但它将可以舒适地处理使用新的7纳米工艺手艺制造的芯片，个中金属线之间的最小距离约为35至40纳米。

研究人员说，将来版本的层摄影手艺能够达到2纳米的差别率，或许将对300×300微米部门进行低差别率搜检的时间缩短到不到一小时。

这些手艺的改善最大的劳绩当属新一代同步加快器同步光源。PSI的同步加快器被认为是第三代机械。与此同时，第四代机械已经起头运行，好比瑞典的MAX IV。跟着更高的X 射线光子通量经由芯片，该系统能够在单元单子时间内收集更多有效的数据，从而获得更高的差别率和更快的处理速度。Aeppli说到：“我们进展在将来的五到六年里，我们每单元单子时间收集的像素能提高1000到10000像素。”

Images: Paul Scherrer Institute

从芯片的更多信息下手，能够进一步加速X射线层摄影术的速度。提前认识设计划定能够让系统得出结论，用更少的光子就能看到什么。事实上，Aeppli猜忌这项手艺的首要用途之一是寻找与设计的误差，这或者是制造错误或更..的迹象。

“从设计中寻找误差比逆向工程整个设计更轻易，” Aeppli说。对于这项手艺，美国在国度平安方面有好多乐趣。

不外，Aeppli估计芯片制造商也会使用层压成像手艺。他指出：“每个大型芯片制造厂的四周都有一些配备同步加快器的国度实验室。”

这项全新手艺已登载在《天然电子》杂志上。