翻譯自——spectrum，By Samuel K. Moore

瑞士和美國研究人員用一種非破壞性的技術，可以在不破壞整個芯片的情況下對其進行反向工程

Ptychographic X 射線分層攝影法可以對整個芯片進行掃描，也可以對特定點進行放大以顯示其電路

瑞士和加利福尼亞的科學家們提出了一種新技術，它可以在不破壞微處理器結構的情況下，顯示其三維設計。

這種逆向工程通常是一個耗時的過程，需要煞費苦心地移除芯片內部里的許多納米級互連層，并使用不同的成像技術層次對它們進行映射，從光學顯微鏡觀察較大的特征，用電子顯微鏡觀察最小的特征。

這項名為ptychographic X -ray laminography的新技術的發明者表示，它可以被集成電路設計人員用來驗證制造出來的芯片是否符合他們的設計，或者政府機構可以用它來驗證可能被秘密添加到集成電路中的“斷路開關”（“kill switches”）或硬件木馬。

南加州大學電子與計算機工程教授Anthony F. J. Levi表示：“這是對電子芯片進行非破壞性逆向工程的唯一方法——不僅如此，我們還要保證芯片是按照設計制造出來的”，“它就像一個指紋，去跟蹤每一個制造環節的出處。”

這項新技術是該團隊在2017年發布的改進版，該技術被稱為ptychographic [1]計算機斷層掃描。其過程是用來自同步加速器的相干X 射線來照射從芯片部分切下來的10微米的柱子上。然后，研究小組記錄X 射線如何在柱子上以不同的角度衍射和散射，并計算出要產生這種圖案的內部結構是什么樣子。

瑞士保羅·謝勒研究所(PSI)光子科學部門的負責人Gabriel Aeppli解釋，我們的目標是完全避免任何晶體的切割。Gabriel Aeppli同時也是蘇黎世和洛桑瑞士聯邦理工學院的物理學教授，領導這項研究。“一個擁有10億個晶體管的現代芯片的引腳比10微米要大的多。這個小組想用一種單一的技術，可以讓他們對整個芯片進行成像，還可以放大特定的局部領域。

先前的技術需要晶圓柱的參與，因為我們要試圖透過整個晶片的邊緣，吸收大量的X 射線，才能產生有用的衍射圖案。X射線以一定角度射入芯片，就能形成足夠小的橫截面。然而，它也會產生了信息上的誤差。Aeppli解釋說，一些信息可以通過對你正在看的東西做一些假設來重新評估。比方說，我們知道真實的互連不能有特定的形狀。

Aeppli還表示，要找到X射線的正確角度(61°)，平衡吸收和信息損失是一大問題。

新技術被用于檢測16納米工藝技術制成的芯片。科學家們先是放大紅色的正方形，然后是藍色的圓形，以逐步發現更小的特征。

在這項新技術中，將裸露的芯片被打磨至20微米的厚度，之后放置在傾斜61°的掃描臺上。當X 射線聚焦在芯片上時，掃描臺就會旋轉芯片。光子計數照相機接收到產生的衍射圖樣。利用低分辨率模式下的技術，該團隊在30小時內掃描了一個300 * 300微米的區域。

然后他們把40微米直徑的部分進行放大，生成一個18.9納米分辨率的3D圖像，這個過程又需要60個小時。之后，研究人員利用高分辨率模式，可以識別出16納米節點技術制作的芯片中單個逆變電路的部分。

這是PSI公司Mirko Holler設計的第一個層照相顯微鏡，可以拍攝12毫米×12毫米的圖像，這個圖像可容納很多芯片，比如iPhone處理器Apple A12，但對于整個Nvidia Volta GPU來說還是有點小。盡管該小組在16納米工藝技術制造的芯片上測試了這項技術，但它將能夠輕松處理使用新7納米工藝技術制造的芯片，其中金屬線之間的最小距離約為35至40納米。該小組在一個16納米工藝技術的芯片上測試了這項技術，據悉，它將能夠輕松處理那些使用7納米工藝技術，金屬線之間的最小距離在35到40納米之間的芯片。

研究人員表示，未來的層壓成像技術可以達到2納米的分辨率，或者將300 * 300微米的低分辨率檢測時間縮短在一個小時之內。

Ptychographic X -ray laminography可以顯示逆變器的金屬部件[右]。表現出與電路的良好配合[中，左]。

這些技術的改進最大的功勞當屬新一代同步加速器同步光源。PSI的同步加速器被認為是第三代機器。與此同時，第四代機器已經開始運行，比如瑞典的MAX  IV。隨著更高的X 射線光子通量通過芯片，該系統可以在單位時間內收集更多有用的數據，從而獲得更高的分辨率和更快的處理速度。Aeppli說到:“我們希望在未來的五到六年里，我們每單位時間收集的像素能提高1000到10000像素。”

通過從更多的芯片信息入手，可以進一步加速改進Ptychographic X 射線分層攝影法。提前了解設計規則可以讓系統在較少光子的情況下得出結論。Aeppli設想這項技術的主要用途之一是尋找與設計不符的地方，這些地方可能是制造錯誤或其他更危險影響。

“從設計中尋找偏差比逆向工程整個設計更容易，” Aeppli說。對于這項技術，美國在國家安全方面有很多興趣。

不過，Aeppli預計芯片制造商也會使用層壓成像技術。他指出:“每個大型芯片制造廠的附近都有一些配備同步加速器的國家實驗室。”

這項全新技術已刊登在《自然電子》雜志上。

[1] Ptychography是一種無透鏡成像技術，采用光學和電子束重建圖像的相位和幅值。