Ученые смогли заглянуть внутрь процессора — зачем это нужно?

Ученые и инженеры из Швейцарии и Калифорнии придумали метод, который может раскрыть трехмерный дизайн современного микропроцессора, не разрушая его. Как правило, сегодня такой процесс обратной разработки (он же реверс-инжиниринг) является трудоемким занятием, который включает в себя кропотливое удаление каждого из многих нанометровых слоев кремниевого кристалла и составление их объемного изображения при помощи различных методов визуализации, от оптической микроскопии для более крупных элементов вплоть до электронной микроскопии для крошечных транзисторов.

Зачем это нужно? Существует множество достаточно старых процессоров, представляющих собой историческую ценность. Приобрести устройство с таким CPU и взаимодействовать с ним современными методами зачастую сложно, поэтому в ход идут эмуляторы. А для того, чтобы реализовать в нем 100% возможностей процессора, зачастую приходится прибегать в обратной разработке.

Поэтому если для того же известнейшего MOS Technology 6502, состоящего всего из 3.5 тысяч транзисторов и имеющего один слой металлизации, стандартные способы обратной разработки сработали без проблем, и сейчас есть его полноценный эмулятор на JavaScript, то вот попытка «зареверсить» тот же CPU от PlayStation 1, в котором три слоя металлизации и 250 тысяч транзисторов, скорее всего будет обречена на провал: здесь требуется уже автоматизация, которая при буквально ручном рассматривании каждого транзистора под микроскопом, очевидно, малореальна.

Результат работы новой технологии.

У нового метода, получившего название ptychographic X-ray laminography (птихографическая рентгеновская томография, ПРТ), есть и второе важное применение: по словам изобретателей, с его помощью разработчики интегральных схем могут проверять соответствие изготовленных микросхем их теоретическому дизайну. Также ПРТ должна понравиться правительствам, обеспокоенным аппаратными троянами в чипах, которые могут тайно добавляться их производителями для шпионажа или выключения критически важного оборудования.

«Это единственный на данный момент неразрушающий способ обратной разработки электронных чипов, дающий гарантии того, что чипы производятся в соответствии с их дизайном», — говорит Энтони Ф.Дж. Леви, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Южной Калифорнии, который возглавлял калифорнийскую сторону команды. «Вы можете определить производителя чипа и аспекты его дизайна. Это как отпечаток пальца».

Новая методика является усовершенствованием технологии, представленной той же командой в 2017 году под названием ptychographic computed tomography (птихографическая компьютерная томография). В этом процессе использовался когерентный (с одной частотой) пучок рентгеновских лучей от синхротрона (ускорителя частиц) для освещения 10-микрометрового столбика, который был отрезан от остальной части чипа. Затем команда записала, как рентгеновские лучи дифракируют (искажаются) и рассеиваются от столбика при различных углах падения, и вычислила, какими должны быть внутренние структуры чипа, чтобы создать каждую из получившихся «отраженных» картинок.

Тот самый столбик, на котором хорошо видны металлизированные слои.

При разработке новой технологии «цель, очевидно, состояла в том, чтобы избежать необходимости делать какие-либо разрезы вообще», — объясняет Габриэль Эппли, профессор физики в Швейцарских федеральных технологических институтах в Цюрихе и Лозанне, который руководил европейской частью команды. «Современный кремниевый кристалл с миллиардами транзисторов занимает большую площадь, чем 10 микрон». Исследователям требовалась единая технология, которая позволила бы им отображать компьютерный чип полностью, а также увеличивать масштаб интересных его областей.

Предыдущий метод нуждался в отрезании от чипа столбика, потому что при попытке получить снимок всего кристалла сверху поглощается слишком много рентгеновских лучей, чтобы получить полезную картину его внутренностей. Но съемка чипа под углом снижает его эффективную площадь — а, значит, и уменьшает поглощение. Тем не менее, это также создает пробелы в получаемой информации. По словам Эппли, некоторые из потерянных сведений можно восстановить, сделав предположение о том, на что вы смотрите. Он также говорит, что поиск правильного угла падения для рентгеновских лучей, который оказался равен 61 градусу, был вопросом баланса между поглощением рентгеновских лучей и потерей информации.

В новой технологии голый кремниевый чип полируется до толщины 20 микрометров, а затем помещается на сканирующую площадку под наклоном в 61 градус. Затем чип вращается на площадке по мере того, как поток рентгеновских лучей фокусируется на нем. Камера для счета фотонов при этом получает результирующее трехмерное изображение внутренностей кристалла. Используя съемку в низком разрешении, команда просканировала область размером 300 на 300 микрометров за 30 часов. Затем они повысили разрешение до 18.9 нм — при этом сканирование области в 40 микрометров заняло у них еще 60 часов. В итоге, сложив оба полученных результата, исследователи смогли идентифицировать части отдельной схемы инвертора в чипе, изготовленной с использованием 16-нанометрового техпроцесса FinFET.

Красный квадрат — масштаб съемки в низком разрешении, синий круг — в высоком.

Этот первый томографический микроскоп, разработанный Мирко Холлером из Швейцарского института Пауля Шеррера, может работать с чипами 12 на 12 миллиметров — это позволяет без проблем исследовать CPU всех смартфонов, но вот графические процессоры топовых видеокарт, таких как Nvidia RTX 2080 Ti, оказываются за бортом: площадь кристалла последней составляет аж 754 квадратных миллиметра. 

Несмотря на то, что исследовательская группа провела испытания новой технологии на чипе, изготовленном с использованием 16-нанометрового техпроцесса, она сможет без проблем справиться с процессорами, изготовленными в рамках самого нового на данный момент 7 нм техпроцесса, где минимальное расстояние между металлическими линиями составляет от 35 до 40 нанометров. Исследователи также утверждают, что будущие версии томографического метода могут достичь разрешения всего 2 нанометра или сократить время проверки сегмента размером 300 х 300 микрон с низким разрешением до часа.

Птихографическая рентгенография позволила выявить металлические части инвертора [справа]. Видно хорошее соответствие с его схемой [в центре, слева].

Такие улучшения будут доступны на синхротронах нового поколения. Синхротрон в Институте Пауля Шеррера считается машиной 3-его поколения. Но машины 4-го поколения уже выпускаются — например, шведская MAX IV. Они обеспечивают более интенсивный поток рентгеновских фотонов, проходящих через чип, что позволяет собирать больше полезных данных в единицу времени: это приводит к более высокому разрешению и более быстрой обработке. «Мы рассчитываем на улучшение от 1000 до 10000 раз в течение следующих пяти или шести лет с точки зрения количества пикселей, которые мы обрабатываем за единицу времени», — говорит Эппли.

Птихографическая рентгенография может быть ускорена, если имеется дополнительная информация о чипе. Знание правил проектирования заранее позволяет системе прийти к выводу о том, что она видит, с меньшим количеством снимков. Фактически, Эппли подозревает, что одним из основных применений этой технологии будет поиск отклонений от дизайна чипа, которые могут указывать на производственные ошибки или что-то более зловещее.

«Поиск отклонений от дизайна является более простой проблемой, чем обратная разработка всего чипа», — говорит он. Команда видит «большой интерес со стороны различных государств в области обеспечения национальной безопасности». Тем не менее, Эппли ожидает, что чипмейкеры также будут использовать технику томографии. «В каждом регионе, где есть крупные заводы по производству чипов, поблизости есть национальная лаборатория с синхротроном», - отмечает он.