X 射线技术可揭露芯片更深层的秘密

翻译自——spectrum，By Samuel K. Moore
 
瑞士和美国研究人员用一种非破坏性的技术，可以在不破坏整个芯片的情况下对其进行反向工程

Ptychographic X 射线分层摄影法可以对整个芯片进行扫描，也可以对特定点进行放大以显示其电路
 
瑞士和加利福尼亚的科学家们提出了一种新技术，它可以在不破坏微处理器结构的情况下，显示其三维设计。
 
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芯片内部里的许多纳米级互连层，并使用不同的成像技术层次对它们进行映射，从光学显微镜观察较大的特征，用电子显微镜观察最小的特征。
 
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。”
 
这项新技术是该团队在2017年发布的改进版，该技术被称为ptychographic [1]计算机断层扫描。其过程是用来自同步加速器的相干X 射线来照射从芯片部分切下来的10微米的柱子上。然后，研究小组记录X 射线如何在柱子上以不同的角度衍射和散射，并计算出要产生这种图案的内部结构是什么样子。
 
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。
 
先前的技术需要晶圆柱的参与，因为我们要试图透过整个晶片的边缘，吸收大量的X 射线，才能产生有用的衍射图案。X射线以一定角度射入芯片，就能形成足够小的横截面。然而，它也会产生了信息上的误差。Aeppli解释说，一些信息可以通过对你正在看的东西做一些假设来重新评估。比方说，我们知道真实的互连不能有特定的形状。
 
Aeppli还表示，要找到X射线的正确角度(61°)，平衡吸收和信息损失是一大问题。

新技术被用于检测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。
 
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。
 
然后他们把40微米直径的部分进行放大，生成一个18.9纳米分辨率的3D图像，这个过程又需要60个小时。之后，研究人员利用高分辨率模式，可以识别出16纳米节点技术制作的芯片中单个逆变电路的部分。
 
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]。
 
这些技术的改进最大的功劳当属新一代同步加速器同步光源。PSI的同步加速器被认为是第三代机器。与此同时，第四代机器已经开始运行，比如瑞典的MAX  IV。随着更高的X 射线光子通量通过芯片，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说到:“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像素。”
 
通过从更多的芯片信息入手，可以进一步加速改进Ptychographic X 射线分层摄影法。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。Aeppli设想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影响。
 
“从设计中寻找偏差比逆向工程整个设计更容易，” Aeppli说。对于这项技术，美国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层压成像技术。他指出:“每个大型芯片制造厂的附近都有一些配备同步加速器的国家实验室。”
 
这项全新技术已刊登在《自然电子》杂志上。
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[1] Ptychography是一种无透镜成像技术，采用光学和电子束重建图像的相位和幅值。