Водещите специалисти от Швейцария и Калифорния измислиха нов подход, с помощта на който се разкрива триизмерния дизайн на съвременния процесор, без разрушаване на чипа. Към днешен ден този процес на реверсивно инженерство на процесорите е много труден и много бавен. Налага се внимателното отделяне на всеки един нанометров слой на силициевия кристал и съставянето на обемно изображение с помощта на различни методи за визуализация – от оптичната микроскопия за по-големите елементи до електронна микроскопия за малките транзистори.
За какво е нужно това? Съществува голям брой вече стари процесори, които имат известна историческа ценност. Да се закупи устройство с подобен процесор и то да се тества със съвременните средства и методи за анализ, в наши дни е вече твърде проблематично. Затова се прибягва до използването на емулатори. Но за да може един емулатор да реализира 100% от възможностите на процесора, най-често се налага извършването на обратно инженерство на чипа.
За световно популярния процесор MOS Technology 6502, който има само 3500 транзистори и един метализиран слой, са достатъчни стандартните ръчни методи за реверсивно инженерство и сега за този процесор има пълноценен емулатор на JavaScript. Но опитът да се направи същото с чипа в PlayStation 1, който има три метализирани слоя и 250 000 транзистора, е обречен на провал. Тук вече трябва да се приложи някаква автоматизация на процеса, понеже ръчното разглеждане на всеки един транзистор с помощта на микроскоп е нереално.
Новият метод за реверсивно инженерство на чиповете се нарича ptychographic X-ray laminography (птихографска рентгенова томография) и може да се използва и за нещо друго. Според думите на изобретателите, по този начин може да бъде проверявано качеството на изготвените чипове и да се прави съпоставка на получения чип със зададените параметри. Разбира се, методът ще се хареса на правителствата, които са обезпокоени от възможното наличие на хардуерни троянски коне в процесорите, добавени от производителите за осъществяването на таен шпионаж или оставяне на задни врати в критично важното електронно оборудване.
„Това е единственият към днешен ден метод за обратно инженерство на процесорите без тяхното разрушаване, който дава гаранция, че чиповете се произвеждат според зададения от проектантите дизайн“ – каза професор Антъни Ф. Дж. Леви, професор по електротехника и изчислителна техника в университета на Южна Калифорния, който ръководи калифорнийския екип. „Методът дава възможност за точното определяне на производителя на чипа и аспектите на дизайна на неговата архитектура. Това е като пръстов отпечатък“.
Новата методика е усъвършенствана версия на технологията, представена от същия екип през 2017 година под името ptychographic computed tomography (птихографска компютърна томография). Използва се кохерентен (с една честота) рентгенов лъч, получен с помощта на ускорител на частици тип синхротрон за осветяването на остатъка на 10 микрометровия извод, като неговата остала част е отрязана кристала на чипа. След това специалистите записали в компютърна система начина, по който рентгеновите лъчи дифрактират и се разсейват при най-различни ъгли на осветяване. Обединяването на получените изображения показва подробна триизмерна снимка на въпросното отрязано краче на кристала.
С използването на тази технология не се налага да се правят каквито и да било разрези. Но съвременният силициев кристал има много по-голяма площ и е трябвало да се разработи нов метод, който да показва целия чип с възможност за увеличаване изображенията на по-интересните области на кристала.
При предишния подход се налагало да бъдат отрязани изводите на кристала, понеже при опит да бъде направена снимка на целия чип, тези изводи поглъщат твърде много рентгенови лъчи, за да се получи полезно изображение на вътрешността на кристала. Но ако се направи снимка на чипа под ъгъл, то ще се намали неговата ефективна площ и следователно, ще се намали поглъщането на рентгенови лъчи. Оказа се, че най-добри изображения се получават при падането на рентгеновите лъчи под ъгъл от 61 градуса спрямо плоскостта на кристала. При този ъгъл се постига идеалния баланс между поглъщането на рентгенови лъчи и загубата на полезна информация.
При новата технология силициевият чип се полира до дебелина 20 микрона и след това се поставя върху сканираща площадка, наклонена под ъгъл от 61 градуса. След това чипът започва да се завърта на площадката, а рентгеновите лъчи постепенно обхождат целия кристал. По този начин камерата за регистриране на фотоните постепенно получава и изгражда триизмерното изображение на самия кристал и неговата вътрешна структура.
В началото екипът правил снимки с ниска резолюция, като сканирането на област с размер 300 х 300 микрона отнемало 30 часа. След това учените повишили резолюция до 18,9 nm, след което сканирането на област от около 40 микрометра отнело още 60 часа. Днес, с използването на тези два метода, изследователите могат да идентифицират компонентите на логически инвертор в чиповете, изготвени чрез 16 нанометров FinFET технологичен процес.
Това всъщност е първият томографски микроскоп, разработен от Мирко Холер (Mirko Holler) от швейцарския институт Пол Шерер. Новият микроскоп може да сканира полупроводникови кристали с размери до 12 х 12 милиметра. Това дава възможност да бъдат изследвани процесорите на всички смартфони. Но графичните процесори, като например на видеокартата Nvidia RTX 2080 Ti остават зад борда, понеже площта на кристала е цели 754 квадратни милиметра.
Въпреки че екипът на Холер е правил тестовете на новата технология върху чипове, произведени чрез 16 нанометров технологичен процес, тя без проблеми може да се справи с най-съвременните 7 nm процесори, при които минималните разстояния между металните шини е границите от 35 до 40 нанометра. Специалистите вече подготвят усъвършенстван версия на своя томографски микроскоп, който ще има разделителна способност едва 2 nm при същото време на сканиране, а ако се използва сегашната резолюция, времето на сканиране на сегмент с размери 300 х 300 микрона ще бъда намалено само до един час.
Тези подобрения ще могат да бъдат осъществени с използването на синхротрони от ново поколение. Синхротронът в института „Пол Шерер“ се счита за машина от 3-то поколение. Но вече се произвеждат и същите устройства от 4-то поколение. Такъв е например шведският синхротрон MAX IV. Новите синхротрони осигуряват по-интензивен поток от рентгенови фотони, преминаващи през чипа, което дава възможност за регистрирането на значително повече полезни данни за едно и също време. Това води до повишаване на резолюцията на триизмерните изображения и до по-бърза обработка.
„Считаме, че през следващите пет или шест години ще получим подобрение от 1000 до 10 000 пъти от гледна точка на броя пиксели, които обработваме за едно и също време“ – каза Шерер.
Птихографската рентгенография може да бъде ускорена, ако има някаква допълнителна информация за изследвания чип. Ако се знаят правилата на проектиране на архитектурата на чипа, системата може да пресъздаде неговото триизмерно изображение с по-малък брой снимки. Всъщност учените са на мнение, че новата технология ще се използва предимно за търсене на отклонения от планирания архитектурен дизайн на чипа, които могат да покажат производствените грешки, отклонения и други подобни, а това е информация, която би могла значително да подобри производството на чиповете.
„Търсенето на отклонения от архитектурния дизайн е по-лесна задача от реверсивното инженерство на чипа“ – споделя ръководителят на проекта.
Екипът, създал тази технология, е на мнение, че много държави биха искали да притежават новия томографски микроскоп, за да могат по-добре да осигурят своята национална безопасност. Но учените очакват, че производителите на чипове също ще използват или вече частично използват техниката на томографията. Ненапразно във всеки регион, където има големи заводи за производство на чипове, някъде наблизо има и национална лаборатория със синхротрон.
