Инженеры Пурдью разработали скрытый дизайн транзистора для защиты чипов от обратной инженерии

Хакер может воспроизвести схему на чипе, узнав, что делают ключевые транзисторы в схеме — но не если «тип» транзистора не детектируется. Инженеры Пурдью продемонстрировали способ замаскировать, какой транзистор какой, строя их из листовидного материала под названием черный фосфор.

Обратная инженерия чипов — распространенная практика — как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают рентгеновские техника визуализации, которые не требовали бы фактического прикосновения к чипу для обратной инженерии.

Подход, который продемонстрировали исследователи Пурдью, повысил бы безопасность на более фундаментальном уровне. Как производители чипов выберут сделать этот дизайн транзистора совместимым с их процессами определит доступность этого уровня безопасности.

Чип вычисляет, используя миллионы транзисторов в схеме. Когда напряжение приложено, два различных типа транзисторов — N-тип и P-тип — выполняют вычисление. Репликация чипа начнется с идентификации этих транзисторов.

«Но потому что они явно различны, правильные инструменты могли бы четко их идентифицировать — позволяя вам идти назад, узнать, что делает каждый отдельный компонент схемы, и затем воспроизвести чип», — сказал профессор Йорг Аппенцеллер. Так что, если эти два типа транзисторов выглядели бы идентично при инспекции, хакер не смог бы воспроизвести чип путем обратной инженерии схемы.

Команда Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем их фабрикации из материала, такого как черный фосфор, делает невозможным узнать, какой транзистор какой. Когда напряжение переключает тип транзисторов, они выглядят абсолютно одинаково для хакера.

В то время как маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители чипов, она обычно делается на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов — оставляя чип потенциально уязвимым для техник хакерской обратной инженерии с правильными инструментами.

Метод маскировки, который команда Аппенцеллера продемонстрировала, будет строить ключ безопасности в транзисторах. Этот подход сделает N и P типы транзисторов выглядеть одинаково на фундаментальном уровне. Вы не могли бы действительно отличить их без знания ключа. Даже производитель чипа не смог бы извлечь этот ключ после производства чипа. «Вы могли бы украсть чип, но у вас не было бы ключа», — сказал Аппенцеллер.

Текущие техники маскировки требуют больше транзисторов для скрытия того, что происходит в схеме. Но скрытие типа транзистора с использованием материала, как черный фосфор — материал толщиной в атом — требует меньше транзисторов, занимая меньше места и энергии в дополнение к созданию лучшего маскировки, сказали исследователи.

Идея затуманивания типа транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально пришла из теории профессора Шерон Ху из Университета Нотр-Дам и ее коллег. Обычно то, что выдает N и P типы транзисторов — это то, как они несут ток. N-тип транзисторы несут ток транспортируя электроны, в то время как P-тип транзисторы используют отсутствие электронов, называемое дырочками.

Черный фосфор настолько тонок, что команда поняла, что он позволит транспортировку электронов и дыр на похожем уровне тока, делая два типа транзисторов более фундаментально похожими. Тогда они экспериментально продемонстрировали маскировочные способности транзисторов на основе черного фосфора. Эти транзисторы также известны тем, что работают на низких напряжениях компьютерного чипа при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для электронного транспорта, описанной как малый «запрещенный зазор».

Но несмотря на преимущества черного фосфора, чип-производственная промышленность, скорее всего, будет использовать другой материал для достижения этого эффекта маскировки. «Индустрия начинает рассматривать ультратонкие 2D материалы, потому что они позволят разместить больше транзисторов на чипе, делая их более мощными. Хотя черный фосфор немного слишком летуч, чтобы быть совместимым с текущими технологиями обработки, экспериментальное показывание того, как 2D материал может работать, — это шаг к выяснению того, как реализовать эту меру безопасности», — сказал Аппенцеллер.