用新的晶体管设计来伪装计算机关键芯片硬件不被黑客攻击_综合

Prototype Disguised Computer Chip

这个芯片上的四个晶体管是用2D材料制成的，可以防止黑客攻击。来源:普渡大学图片/约翰·安德伍德

黑客可以通过发现电路中的关键晶体管在做什么来复制芯片上的电路——但如果晶体管的“类型”无法检测的话，黑客就不能。

普渡大学的工程师们已经展示了一种伪装晶体管的方法，他们用一种叫做黑磷的片状材料制造晶体管。这种内置的安全措施可以防止黑客获得足够的电路信息来对其进行逆向工程。

这一发现发表在2020年12月7日《自然电子》杂志上的一篇论文中。

对芯片进行反向工程是一种常见做法——无论是黑客还是调查知识产权侵权的公司。研究人员还在开发x射线成像技术，这种技术不需要实际接触芯片就可以对其进行逆向工程。

普渡大学研究人员展示的方法将在更基本的层面上提高安全性。芯片制造商如何选择使晶体管设计与他们的工艺兼容，将决定这种安全级别的可用性。

芯片在电路中使用数百万个晶体管进行计算。当施加电压时，两种不同类型的晶体管- N型和P型-执行计算。要复制芯片，首先要识别这些晶体管。

“这两种类型的晶体管是关键，因为它们在电路中做不同的事情。它们是我们所有芯片上发生的一切的核心，”普渡大学电气与计算机工程教授Joerg Appenzeller说。“但因为它们明显不同，正确的工具可以清楚地识别它们，让你可以回溯，找出每个单独的电路组件在做什么，然后复制芯片。”

如果这两种类型的晶体管在检查中显示相同，黑客将无法通过反向工程电路来复制芯片。

阿彭策尔的团队在他们的研究中表明，通过用黑磷等材料制造晶体管来伪装晶体管，这样就不可能知道哪个晶体管是哪个。当电压改变晶体管的类型时，黑客会发现它们看起来完全一样。

虽然伪装已经是芯片制造商使用的一种安全措施，但它通常是在电路层面进行的，不会试图掩盖单个晶体管的功能——这使得芯片可能容易受到反向工程黑客技术的攻击，使用正确的工具。

阿彭策尔团队展示的伪装方法是在晶体管中建立一个安全密钥。

“我们的方法将使N型和P型晶体管在基本层面上看起来相同。如果不知道密钥，你就无法真正区分它们，”普渡大学电子与计算机工程博士生吴鹏(音译)说。他在普渡大学探索公园的Birck纳米技术中心用黑磷晶体管制造并测试了一个原型芯片。

芯片生产出来后，即使芯片制造商也无法提取密钥。

“你可以偷芯片，但你不会有钥匙，”阿彭策勒说。

当前的伪装技术总是需要更多的晶体管来隐藏电路中发生的事情。但是使用像黑磷这样的材料——一种像原子一样薄的材料——隐藏晶体管类型需要更少的晶体管，占用更少的空间和能量，除了创造更好的伪装，研究人员说。

模糊晶体管类型以保护芯片知识产权的想法最初来自美国圣母大学(University of Notre Dame)教授Sharon Hu和她的合作者的一个理论。通常，使N型和P型晶体管失效的原因是它们如何携带电流。N型晶体管通过传输电子来传输电流，而P型晶体管利用没有电子的空穴来传输电流。

阿彭策尔的团队意识到，黑磷非常薄，它可以使电子和空穴在类似的电流水平上传输，使两种类型的晶体管在胡的建议中看起来更加基本相同。

阿彭策尔的团队随后通过实验证明了黑磷晶体管的伪装能力。众所周知，这些晶体管在室温下也能在电脑芯片的低电压下工作，因为它们的电子传输死区更小，被称为小的“带隙”。

但是，尽管黑磷具有优势，芯片制造业更有可能使用不同的材料来实现这种伪装效果。

“业界开始考虑超薄2D材料，因为这种材料可以让芯片上容纳更多晶体管，使其功能更强大。黑磷的挥发性有点太大，与目前的处理技术不兼容，但通过实验展示2D材料的工作原理是实现这种安全措施的一步。”阿彭策勒说。

这项研究由印第安纳创新研究所和礼来捐赠公司资助。