Wetenschappers kunnen chips gedetailleerd in 3d scannen met nieuwe techniek

Wetenschappers hebben een nieuwe methode toegepast om volledige chips te scannen op bijvoorbeeld defecten of manipulatie. Door middel van speciale röntgenscans zijn 3d-beelden te maken waarmee tot op transistorniveau is in te zoomen.

De onderzoekers van het Zwitserse Paul Scherrer-instituut en de Amerikaanse Viterbi School of Engineering van de University of Southern California hebben een systeem op basis van ptychographic X-ray laminography, of PyXL, ontwikkeld om gehele chips te scannen. In combinatie met algoritmes om data te reconstrueren is zo een 3d-dataset op te bouwen.

De methode maakt het mogelijk platte oppervlakken op hoge resolutie in 3d vast te leggen zonder dat eerst samples van die oppervlakken gereed hoeven te worden gemaakt. Bovendien is met het systeem in te zoomen op details van de oppervlakken. Voorheen waren hier verschillende technieken voor nodig en moeste delen van de chipoppervlakken losgetrokken worden om details te kunnen scannen.

De wetenschappers hebben bij de eerste PyXL-test een op 16nm geproduceerde finfet-chip gescand met daarop bevestigd een klein onderdeel van een chip. 'Korte tijd' nadat de oppervlakken waren vastgelegd was een 3d-dataset beschikbaar en te zien is dat hiermee alle chiplagen en interconnects op nanometerniveau inzichtelijk worden. De chip had een oppervlak van 300x300µm en het systeem zoomde in op het onderdeel met een diameter van 40µm voor een meting met een resolutie van 18,9nm.

De methode is volgens de onderzoekers onder andere bruikbaar voor chipverificatie. Chipfabrikanten en andere partijen kunnen er chips mee controleren zonder dat die chips fysiek vernield hoeven te worden. Zo kunnen ze garanderen dat de chips volgens specificatie en zonder fouten zijn geproduceerd en dat er niet mee geknoeid is.

Mirko Holler (links) en Michal Odstrcil (rechts) van het Paul Scherrer-instituut voor het systeem voor ptychographic X-ray laminography

Bij ptychographic X-ray laminography combineren de onderzoekers enkele technieken. Ze hielden eerder al testen met ptychographic X-ray computed tomography, of PXCT. Hierbij worden samples van alle kanten bestraald met röntgenstralen, waarna reconstructiealgoritmes op basis van diffractiepatronen afbeeldingen kunnen berekenen. Zo wisten ze al delen van een 22nm-chip van Intel in kaart te brengen, maar het nadeel is dat delen van de chip losgebroken moesten worden om de samples van alle kanten te kunnen beschijnen.

Door die techniek te combineren met laminography werd dit nadeel teniet gedaan. Deze techniek is met name voor platte oppervlakken die daarvoor enigszins gekanteld worden en vervolgens roteren voor de ct-scans. Zo kunnen de oppervlakken onder verschillende rotatiehoeken vastgelegd worden.

De onderzoekers beschrijven hun methode in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Electronics onder de titel Three-dimensional imaging of integrated circuits with macro- to nanoscale zoom.

Artistieke render van de 3d-weergave van het systeem van het Paul Scherrer-instituut.

Reacties (30)

[DaManiac]

Ik zie wel potentieel voor de namaakmarkt... Reverse engineeren wordt nu wel erg makkelijk. Niet eens meer "reverse", meer copy-paste.

[achtbaanfreak]

Dat valt tegen. Zeker in digitale chips gaat veel verwerking tegenwoordig op basis van microcode. Zolang je die microcode niet hebt (dus zolang je niet de geheugenelementen op de chip zelf kan uitlezen) heb je waarschijnlijk niet bijzonder veel aan wat je vind. Desalniettemin maakt dit het wel veel gemakkelijker om even in de chip van de concurent te kijken om te kijken hoe zij een bepaald probleem hebben opgelost.

[Sissors]

Daar dacht ik ook eerst aan, maar dat is tegelijkertijd ook altijd al mogelijk geweest, alleen dan op een destructieve methode. Echter als je doel is na te maken maakt het niet veel uit dat het destructief gebeurd.

[Iblies]

Destructief?
Ik vraag me af in hoeverre je dan extra info krijgt. Er wordt al veel gewerkt met röntgen en dergelijke om de opbouw van een chip te achterhalen.


Ik vraag me dan ook af of achter de schermen dit niet al wordt gebruikt. Ze gebruiken bestaande technieken en combineren die.

[Sissors]

Als je de bovenste lagen eraf schuurt om de lagen eronder goed te kunnen zien is het redelijk destructief voor de werking van de chip

[Tarquin]

Of juist controleren dat iemand jouw chip niet heeft nagemaakt. Je doet er gewoon een paar losse, niet aangesloten transistoren bij in en als je die ook in de kopie vindt, kun je aantonen dat het jouw ontwerp was.

[TimoDimo]

Dat gaat natuurlijk niet op. Een hele chip kopiëren zal niet gebeuren want het is dan sowieso al eenvoudig te zien dat alles hetzelfde is. Bovendien kun je vóór productie natuurlijk zien of er nutteloze elementen in zitten. Chips worden immers eerst eindeloos gesimuleerd.

[sebastienbo]

Ja leuk voor de chinezen

[Nas T]

En hoe wil je dan iets uitbrengen zonder patenten te schaden? Want je kan de chip van de concurrent nu dus ook scannen ...

[Xorgye]

Weet iemand hoe zulke techniek zich verhoud tot ingebakken dingen zoals identificatiesleutels en/of encryptiesleutels?

[Malantur]

Geen probleem lijkt me. Er kon voordien ook al met elektronenmicroscopen e.d. gekeken worden.
Uit het artikel:

Ze hielden eerder al testen met ptychographic X-ray computed tomography, of PXCT. Hierbij worden samples van alle kanten bestraald met röntgenstralen, waarna reconstructiealgoritmes op basis van diffractiepatronen afbeeldingen kunnen berekenen. Zo wisten ze al delen van een 22nm-chip van Intel in kaart te brengen, maar het nadeel is dat delen van de chip losgebroken moesten worden om de samples van alle kanten te kunnen beschijnen.

Door die techniek te combineren met laminography werd dit nadeel teniet gedaan. Deze techniek is met name voor platte oppervlakken die daarvoor enigszins gekanteld worden en vervolgens roteren voor de ct-scans. Zo kunnen de oppervlakken onder verschillende rotatiehoeken vastgelegd worden.

Het enige verschil is dat dit een niet-destructief onderzoek is, perfect voor kwaliteitscontrole.

[m_snel]

De sleutels zitten normaal niet in de hardware of micro code.

[Koakie D]

Ben wel benieuwd wat 'korte tijd' exact inhoud. Een paar seconden of een half uurtje later.

[MrMonkE]

Leuk om te reverse engineeren. Er is een hele scene die zich met het reverse engineeren van ICs bezig houdt.
Vermoedelijk is dit soort technologie de komende decennia nog niet beschikbaar voor hun maar voor bedrijven die ontwerpen willen stelen ofgewoon chips willen kopieren kan dit ook veel helpen.

[Pep7777]

Wat hier volgens mij vooral knap aan is is dat zelfs rontgenstraling nog een grotere golflengte heeft dan de details (nanometer grootte volgens artikel) die zichtbaar gemaakt kunnen worden. Dat betekent dat ze naast het scannen toch vooral heel goed bezig zijn geweest met de reconstructie algoritmes.. Knap werk

[Molybdenum]

Röntgenstraling heeft typisch een golflengte tussen de 0.01 en 10 nm. Dus ruim onder de resolutie.

https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray

[pirke]

De ASML Yieldstar machines kunnen bij normaal licht (425-880nm) bepalen hoe twee lagen van een wafer ten opzichte van elkaar verschoven zijn met minder dan 1 nanometer nauwkeurigheid zonder destructief te zijn. De golflengte is dus meerdere ordes van grootte groter dan de meetnauwkeurigheid. Allemaal dankzij diffractie

[CivLord]

Er wordt niet met röntgenstralen gekeken zoals je dat met normaal licht zou doen, of zoals een röntgenbeeld van bv. je hand wordt gemaakt. Er wordt gekeken naar de diffractie (oftewel afbuiging) van een bundel röntgenstralen. De structuren van het materiaal waar de bundel röntgenstralen door heen gaat beïnvloeden die afbuiging. Een spoortje kleiner dan de golflengte van röntgenstraling heeft al invloed op de afbuiging. Maar hoe kleiner de structuren, hoe kleiner de afbuiging en hoe nauwkeuriger de detectoren moeten zijn en hoe complexer de gebruikte algoritmes moeten zijn om ze in beeld te brengen.
Bij 3D-structuren gaat de bundel door meerdere lagen structuren en wordt dus ook de afbuiging door meerdere lagen beïnvloed. Pas wanneer je alle structuren van meerdere kanten gescand hebt kun je met alle gegevens terugrekenen naar een 3D 'beeld'. Dat is in werkelijkheid nog vele malen complexer dan dat het nu klinkt.

[Brandts]

300x300µm²? Jullie hebben het hier dus over een oppervlakte van 90000 µm^4

[BenVenNL]

Zou dit ook kunnen helpen bij de vraag of partijen stiekem backdoors inbouwen in consumenten en bedrijfselectronica?

[3raser]

Ik vraag me af of er veel hardwarematige backdoors gemaakt worden. Software backdoors zijn niet te detecteren met een X-ray, tenzij je misschien alle bits in een ROM kan uitlezen en omzetten tot een daadwerkelijk stukje software.

[tweaknico]

Rom is niet zo moeilijk dat zijn vaak diode matrixen.
een EPROM, EPROM etc. Flash kan wel een wat lastiger zijn.
Daar moet je de lading kunnen "zien"...

[BenVenNL]

Een serieuze vraag.

Je kunt de structuren wel in kaart brengen, maar er zijn zoveel transistors in zo'n chip dat het voor het menselijke brein niet te zien is toch als daar ergens een anomalie tussen zit.
Daarbij nog de hoeveelheden verschillende chips op de markt.

De volgende stap zou dan zijn om software te schrijven die afwijkingen in de structuur opzoekt welke niet tot de functionaliteit van die chip zouden behoren.
Mijn vraag is dan of bepaalde functionaliteit in zo'n chip er altijd het zelfde uit ziet of dat er zo veel manieren zijn om dit voor elkaar te krijgen (in de layout) dat software alle variabelen nooit onder de knie zal krijgen.

[Cergorach]

Mijn vraag is dan of bepaalde functionaliteit in zo'n chip er altijd het zelfde uit ziet of dat er zo veel manieren zijn om dit voor elkaar te krijgen (in de layout) dat software alle variabelen nooit onder de knie zal krijgen.

Dan moet die software eerst uitzoeken wat de bedoeling was, want die informatie heeft de software niet en jij ook niet als de maker niet meewerkt. Als die meewerkt kan je dat beter al doen op de 'blauwdrukken' en vervolgens de 'blauwdrukken' vergelijken met het gemaakte product...

Daarnaast zit je nog eens met onbedoelde bijwerkingen, hard/software welke ergens niet voor is gemaakt kan mogelijk wel ergens anders voor gebruikt worden. Ik denk dat dit dan ook wel heel ver buiten het doel van deze ontdekking valt en zal later eerder onder AI onderzoek vallen, welke imho geen super prio zou hebben...

[RGAT]

Welke is dat? Manipulatie suggereert dat er met de chips gerommeld is, als een backdoor er 'by design' in zit is dat dus niet manipulatie...
Of je bedoeld 'defecten', hoewel je een backdoor als consument als een defect kan beschouwen valt het daar natuurlijk ook niet onder. Misschien wat vriendelijker en inhoudelijk reageren ipv stellen dat lezen moeilijk is terwijl je zelf het punt mist, goede morgen