Nieuw transistorontwerp verhult belangrijke computerchiphardware ter bescherming tegen hackers

Een hacker kan een circuit op een chip reproduceren door te ontdekken wat de belangrijkste transistors in een circuit doen, maar niet als het 'type' van de transistor niet detecteerbaar is. Ingenieurs van Purdue University hebben een manier aangetoond om te verbergen welke transistor dat is door ze te bouwen uit een plaatachtig materiaal dat zwarte fosfor wordt genoemd.

Reverse engineering-chips zijn een gangbare praktijk, zowel voor hackers als bedrijven die inbreuken op intellectueel eigendom onderzoeken. Onderzoekers ontwikkelen ook röntgenbeeldvormingstechnieken waarbij het niet nodig is om een ​​chip aan te raken om deze te reverse-engineeren.

De aanpak die de Purdue-onderzoekers hebben gedemonstreerd, zou de veiligheid op een meer fundamenteel niveau verhogen. Hoe chipfabrikanten ervoor kiezen om dit transistorontwerp compatibel te maken met hun processen, zou de beschikbaarheid van dit beveiligingsniveau bepalen.

Een chip rekent met miljoenen transistors in een circuit. Wanneer een spanning wordt aangelegd, voeren twee verschillende typen transistors - een N-type en een P-type - een berekening uit. Het repliceren van de chip zou beginnen met het identificeren van deze transistoren.

"Maar omdat ze duidelijk verschillend zijn, kunnen de juiste tools ze duidelijk identificeren - zodat je achteruit kunt gaan, erachter kunt komen wat elk afzonderlijk circuitonderdeel doet en vervolgens de chip reproduceert", zegt professor Joerg Appenzeller. Dus als deze twee transistortypen bij inspectie identiek zouden lijken, zou een hacker geen chip kunnen reproduceren door het circuit te reverse-engineeren.

Het team van Appenzeller toonde in hun onderzoek aan dat het camoufleren van de transistors door ze te fabriceren uit een materiaal zoals zwarte fosfor, het onmogelijk maakt om te weten welke transistor dat is. Wanneer een spanning het type transistors verandert, zien ze er voor een hacker precies hetzelfde uit.

Hoewel camoufleren al een beveiligingsmaatregel is die chipfabrikanten gebruiken, wordt het meestal gedaan op circuitniveau en wordt niet geprobeerd de functionaliteit van individuele transistors te verdoezelen - waardoor de chip mogelijk kwetsbaar wordt voor reverse-engineering hacktechnieken met de juiste tools.

De camouflagemethode die het team van Appenzeller demonstreerde, zou het inbouwen van een beveiligingssleutel in de transistors zijn. Die benadering zou ervoor zorgen dat N- en P-type transistoren er op een fundamenteel niveau hetzelfde uitzien. Je kon ze niet echt onderscheiden zonder de sleutel te kennen. Zelfs de chipfabrikant zou deze sleutel niet kunnen extraheren nadat de chip is geproduceerd. "Je zou de chip kunnen stelen, maar je zou de sleutel niet hebben", zei Appenzeller.

De huidige camouflagetechnieken vereisen meer transistoren om te verbergen wat er in het circuit gebeurt. Maar om het transistortype te verbergen met een materiaal als zwarte fosfor - een materiaal zo dun als een atoom - zijn minder transistors nodig, nemen ze minder ruimte en energie in beslag en zorgen ze voor een betere vermomming, aldus de onderzoekers.

Het idee om het transistortype te verdoezelen om intellectueel eigendom van chips te beschermen, kwam oorspronkelijk van een theorie van professor Sharon Hu van de Universiteit van Notre Dame en haar medewerkers. Typisch, wat N- en P-type transistoren weggeeft, is hoe ze een stroom voeren. Transistors van het N-type dragen een stroom door elektronen te transporteren, terwijl transistors van het P-type de afwezigheid van elektronen gebruiken, gaten genoemd.

Zwarte fosfor is zo dun, realiseerde het team zich, dat het elektronen- en gatentransport op een vergelijkbaar stroomniveau mogelijk zou maken, waardoor de twee soorten transistors fundamenteel hetzelfde lijken. Op dat moment demonstreerden ze experimenteel de camouflerende eigenschappen van op zwarte fosfor gebaseerde transistors. Het is ook bekend dat deze transistoren bij kamertemperatuur op de lage spanningen van een computerchip werken vanwege hun kleinere dode zone voor elektronentransport, beschreven als een kleine "band gap".

Maar ondanks de voordelen van zwarte fosfor, zou de chipproductie-industrie eerder een ander materiaal gebruiken om dit camouflage-effect te bereiken. "De industrie begint ultradunne 2D-materialen te overwegen, omdat er meer transistors op een chip zouden passen, waardoor ze krachtiger worden. Hoewel zwarte fosfor een beetje te vluchtig is om compatibel te zijn met de huidige verwerkingstechnieken, is het experimenteel laten zien hoe een 2D-materiaal zou kunnen werken een stap in de richting van het uitzoeken hoe deze beveiligingsmaatregel kan worden geïmplementeerd, "zei Appenzeller.