要知道，A12 SoC 芯片内部有 69 亿个晶体管，单是把数量搞清楚，都是一件相称有寻衅的事，遑论要同时搞清这些晶体管的位置、线路和其他元件连接。
如今，总部位于瑞士的保罗·谢勒研究所（Paul Scherrer Institute，简称 PSI）的一个研究团队研发出一种技能，可以利用同步辐射光源构建芯片的三维图而不毁坏芯片，可以轻松对像苹果 A12 这样的尖端芯片履行反向工程。他们的论文揭橥在上周的 Nature Electronics 杂志上。
这是天下上首个以非毁坏性办法显示芯片内部布线的技能。该技能利用的是瑞士同步辐射光源（Swiss Light Source，简称 SLS），这是一种同步加速器，它可以将带电粒子加速到靠近光速天生 X 射线，供应高亮度光子束用于材料科学、生物学和化学研究。PSI 的这支团队就选择利用该设备通过 X 光透视芯片，他们把这项技能称为 X 射线叠层成像技能（ptychographic X-ray laminography）。
图 | SLS 试验大厅（来源：PSI）
在本项研究中，瑞士光源是在 16 纳米制程的芯片上进行测试的。但研究团队根据结果推测，这台设备可以轻松处理利用 7 纳米制程的芯片，例如天下上首个实现量产的 7 纳米移动 SoC 芯片——苹果 A12 芯片。
7 纳米制程工艺之下，金属线之间的最小间隔约为 35 至 40 纳米。生产这种精密产品本身已经是一种寻衅；而要反向回溯，将成品芯片逐一分解，丈量个中确切构造、检讨制造规格等细节，这是一个更大的寻衅。
早在 2017 年，他们就研发了 X 射线叠层成像技能，研究团队早期做的测试研究，尚不能对全体芯片进行剖析。
在当时的实验中，他们把从芯片中切下来的直径 10 微米长的部分用 SLS 的光芒照射，每一个被照亮的点都会被探测，研究小组记录下 X 射线如何在这部分芯片上以不同的角度衍射和散射，并打算出其内部构造与所天生图案的对照关系，然后缓慢旋转样本，在每次旋转后再次逐步进行 X 光检讨，末了形成三维成像，导线的路径以及单个晶体管和其他电路元件的位置就变得清晰可见。
此前，很多制造商紧张选用一种反向工程方法，即逐层去除芯片各层，然后在每一个步骤之后用电子显微镜检讨表面，也便是常说的 FIB/SEM 聚焦离子束/扫描电子显微镜成像。这种方法非常耗时，并且要动用大大小小的各种电子显微镜。
该项目的卖力人 Mirko Holler 说：“我们的图像分辨率与传统的 FIB/SEM 检讨方法相称。但是我们能够避免两个明显的缺陷，第一，样品没有破坏，我们有关于三维构造的完全信息；其次，如果单个切片的表面不是完备平面的，我们避免了 FIB/SEM 中涌现的图像失落真。”
但当时的寻衅在于，实验样品只选择了芯片的一小部分，且它的位置必须保持稳定且精确到几纳米，须要利用干涉仪不断丈量其位置。进行 X 射线丈量须要 24 个小时，数据处理大概也须要同样长的韶光。
此外，纵然是这一小部分芯片，都须要大量的射线，这些有一定角度的射线会造成一些小的横截面，从而造成部分信息丢失，须要通过假设来推测一部分信息。因此，当时没有办法检讨全体芯片。
只管如此，当时第一批潜在用户还是表现出了浓厚的兴趣。对付工艺流程验证来说，这项技能可以在不触碰晶圆的条件下，轻松验证间距和尺寸，查看是否存在线路毛病，政府机构也可以用它来验证集成电路中是否被添加了断路开关或硬件木马。
如今，这个团队对技能进行了完善，他们创造了 X 射线的空想入射角度—— 61 度。
芯片被打磨至 20 微米的厚度，然后放置在倾斜 61 度的扫描台上。当 X 射线聚焦在芯片上时，不雅观测台就会旋转芯片。光子计数摄影机吸收到产生的衍射图样。利用低分辨率模式下的技能，该团队在 30 小时内扫描了一个 300×300 微米的区域。然后用 60 小时将之放大至 40 微米直径，天生 18.9 纳米分辨率的 3D 图像。利用高分辨率模式，研究职员可以识别利用 16 纳米制程制作的芯片中的单个逆变电路。
图 | 改进后的新技能被用于检测利用 16 纳米工艺技能制成的芯片。科学家们先是放大赤色的正方形，然后是蓝色的圆形，以逐步创造更小的特色（来源：PSI）
目前，这台设备可以拍摄 12×12 毫米的图像，完备可以覆盖苹果 A12 芯片组 9.89×8.42 毫米的封装尺寸。不过，对付 Nvidia Volta GPU 这样大型的处理器来说还是弗成。
图 | Ptychographic X-ray laminography 可以显示逆变器的金属部件（右图），并显示与之匹配的电路（中图、左图）（来源：PSI）
纵然如此，这项技能也可说是一时无两。有人可能会问，如其强大的反向工程利器出世，会不会被用来破解、仿制那些高端芯片呢？
我们该当知道的是，有制造就有拆解，这是获取知识和信息最暴力和直接的办法。
而且，芯片反向工程是一个高低端差异明显的行当。
最低真个芯片反向工程便是酸洗，拍照、制版、提图、仿真、挑选工艺、设计、制造、测试、封装，芯片就可以上市售卖。高真个操作办法是利用 X 射线扫描并创建高分辨率、大比例的图像，然后进行设计、制造、测试和封装。
图 | 芯片酸洗过程（来源：DeepTech根据zeptobars资料整理）
酸洗过程彷佛大略，但实际操作实在是困难的。仿照电路部分由于管子数量有限相对大略，但是工艺的选择无法抄袭，终极很有可能涌现纵然完备照抄也无法使电路正常事情的情形。如果走 X 射线这样的高端路线，放眼环球也只有 60 台旁边的同步辐射光源装置，用它来山寨芯片那切实其实是天方夜谭。
再加上现在芯片的逻辑规模越来越大，产品更新换代快。就算抄袭成功，设计出的芯片还必须配置相应的利用方案才能将之售出。考虑到韶光和本钱，抄袭芯片彷佛不再那么合算。
其余，还有犯罪本钱须要考量。2017 年，广东省通报了一起反向“抄袭”芯片的案例，干系任务人因陵犯打算机软件著作权获刑三年。
事实上，“反向工程”本身并不是一项为侵权而生的技能，它和正向设计一样，是一种 IC 设计的技能手段。在芯片领域，不少公司都在进行集成电路反向工程，国外比较有名的 Chipworks、Semiconducto Insights 等， 海内北京芯愿景、台湾宜硕等。这些公司都在供应反向设计做事，但紧张是技能和专利剖析以及竞争情报评估。
回到这项研究本身，研究职员下一步的目标是能达到 2 纳米的分辨率，或者实现低分辨率检讨 300×300 微米的用时能缩短到一小时以内。
该团队利用的是第三代同步辐射光源装置，目前第四代同步辐射装置已经开始启用，比如瑞典的 MAX IV。随着更高的 X 射线光子通量通过芯片，该系统可以在单位韶光内网络更多有用的数据，从而得到更高的分辨率和更快的处理速率。PSI 光子科学部门卖力人、苏黎世和洛桑瑞士联邦理工学院物理学教授 Gabriel Aeppli 说：“我们希望在未来的五到六年内，单位韶光内网络到的像素量能够提高 1000 到 10000 个像素。”
“从设计中探求偏差比逆向工程全体设计更随意马虎，我们看到美国在国家安全方面（对这个项目）很有兴趣”，Aeppli 说，他认为芯片制造商也将会利用这项技能。“这是对电子芯片进行非毁坏性逆向工程的唯一方法，不仅可以逆向工程，而且可以确保按设计制造芯片，你可以确认哪家设计了芯片，哪家是代工。这就像指纹识别一样。”
