Новая конструкция транзистора скрывает ключевое аппаратное обеспечение компьютерного чипа для защиты от хакеров

Хакер может воспроизвести схему на чипе, выяснив, что делают ключевые транзисторы в схеме, но не в том случае, если «тип» транзистора невозможно определить. Инженеры Университета Пердью продемонстрировали способ замаскировать транзистор, сделав его из листового материала, называемого черным фосфором.

Реверс-инжиниринг чипов — обычная практика — как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения прав интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают методы рентгеновской визуализации, которые не требуют фактического прикосновения к чипу для его обратного проектирования.

Подход, продемонстрированный исследователями Purdue, повысит безопасность на более фундаментальном уровне. То, как производители чипов решат сделать эту конструкцию транзистора совместимой со своими процессами, будет определять доступность этого уровня безопасности.

Чип вычисляет, используя миллионы транзисторов в цепи. Когда подается напряжение, два различных типа транзисторов — N-типа и P-типа — выполняют вычисления. Копирование чипа начнется с идентификации этих транзисторов.

«Но поскольку они явно отличаются друг от друга, правильные инструменты могут четко их идентифицировать, что позволит вам вернуться назад, выяснить, что делает каждый отдельный компонент схемы, а затем воспроизвести чип», — сказал профессор Йорг Аппенцеллер. Таким образом, если эти два типа транзисторов при осмотре окажутся идентичными, хакер не сможет воспроизвести микросхему путем обратного проектирования схемы.

Команда Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем изготовления их из такого материала, как черный фосфор, делает невозможным определение того, какой транзистор какой. Когда напряжение меняет тип транзисторов, они кажутся хакеру точно такими же.

Хотя маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители чипов, она обычно выполняется на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов, что делает чип потенциально уязвимым для методов взлома с помощью правильных инструментов.

Метод маскировки, который продемонстрировала команда Аппенцеллера, заключался в том, чтобы встроить ключ безопасности в транзисторы. Такой подход сделал бы транзисторы N- и P-типа одинаковыми на фундаментальном уровне. Вы не могли бы действительно различить их, не зная ключа. Даже производитель чипа не сможет извлечь этот ключ после того, как чип будет произведен. «Вы можете украсть чип, но у вас не будет ключа», — сказал Аппенцеллер.

Современные методы маскировки требуют большего количества транзисторов, чтобы скрыть то, что происходит в схеме. Но чтобы скрыть тип транзистора с помощью такого материала, как черный фосфор — материала толщиной с атом — требуется меньше транзисторов, они занимают меньше места и потребляют меньше энергии, а также создают лучшую маскировку, говорят исследователи.

Идея скрыть тип транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально возникла из теории профессора Университета Нотр-Дам Шарон Ху и ее сотрудников. Как правило, транзисторы N- и P-типа отличаются тем, как они проводят ток. Транзисторы N-типа проводят ток за счет переноса электронов, в то время как транзисторы P-типа используют отсутствие электронов, называемое дырками.

Команда поняла, что черный фосфор настолько тонкий, что он позволяет транспортировать электроны и дырки при одинаковом уровне тока, что делает два типа транзисторов более похожими. Именно тогда они экспериментально продемонстрировали маскировочные способности транзисторов на основе черного фосфора. Также известно, что эти транзисторы работают при низком напряжении компьютерного чипа при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для переноса электронов, описываемой как небольшая «ширина запрещенной зоны».

Но, несмотря на преимущества черного фосфора, производители чипов, скорее всего, будут использовать другой материал для достижения эффекта камуфляжа. «Промышленность начинает рассматривать ультратонкие 2D-материалы, потому что они позволят разместить на чипе больше транзисторов, что сделает их более мощными. Хотя черный фосфор слишком летуч, чтобы быть совместимым с современными методами обработки, экспериментальная демонстрация того, как может работать 2D-материал, — это шаг к выяснению того, как реализовать эту меру безопасности», — сказал Аппенцеллер.