Purdue-ingenieurs ontwikkelen verborgen transistordesign om chips te beschermen tegen reverse engineering

Een hacker kan een circuit op een chip reproduceren door te ontdekken wat sleuteltransistoren in een circuit doen — maar niet als het transistortype "ondetecteerbaar" is. Purdue University ingenieurs hebben een manier gedemonstreerd om te verschleieren welke transistor welke is door ze te bouwen uit een vel-achtig materiaal genaamd zwart fosfor.

Reverse engineering van chips is een gangbare praktijk — zowel voor hackers als voor bedrijven die intellectuele eigendom inbreuk onderzoeken. Onderzoekers ontwikkelen ook röntgenimagingtechnieken die het niet zouden vereisen om een chip daadwerkelijk aan te raken om het te reverse engineeren.

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

Een chip berekent met miljoenen transistoren in een circuit. Wanneer een spanning toegepast wordt, voeren twee verschillende typen transistoren — 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 distinct verschillend zijn, kunnen de juiste tools ze duidelijk identificeren — wat u in staat stelt om achterwaarts te gaan, uit te zoeken wat elk individueel circuitcomponent doet en dan de chip te reproduceren," zei professor Joerg Appenzeller. Dus, als deze twee transistortypen identiek leken bij inspectie, zou een hacker niet in staat zijn om een chip te reproduceren door het circuit te reverse engineeren.

Appenzeller's team toonde in hun studie aan, dat het camouflageren van de transistoren door ze te fabriceren van een materiaal zoals zwart fosfor het onmogelijk maakt om te weten welke transistor welke is. Wanneer een spanning de transistortypes togglet, lijken ze precies hetzelfde voor een hacker.

Terwijl camouflageren al een beveiligingsmaatregel is die chipfabrikanten gebruiken, wordt het typisch op circuitniveau gedaan en probeert het niet de functionaliteit van individuele transistoren te verschleieren — wat de chip potentiëel kwetsbaar laat voor reverse engineering hacktechnieken met de juiste tools.

De camouflagermethode die Appenzeller's team gedemonstreerd heeft, zou een beveiligingssleutel in de transistoren bouwen. Die benadering zou N- en P-type transistoren er op een fundamenteel niveau hetzelfde laten lijken. U kunt ze niet echt onderscheiden zonder de sleutel te kennen. Zelfs de chipfabrikant zou niet in staat zijn om deze sleutel na productie van de chip te extraheren. "U kunt de chip stelen, maar u zou de sleutel niet hebben," zei Appenzeller.

Huidige camouflagetechnieken vereisen meer transistoren om te verbergen wat er in het circuit gebeurt. Maar het verbergen van het transistortype met een materiaal zoals zwart fosfor — een materiaal zo dun als een atoom — vereist minder transistoren, neemt minder ruimte en stroom in beslag naast het creëren van een betere camouflage, zeiden de onderzoekers.

Het idee om het transistortype te verduisteren om chip intellectuele eigendom te beschermen kwam oorspronkelijk uit een theorie van University of Notre Dame professor Sharon Hu en haar medewerkers. Typisch is wat N- en P-type transistonen weggeeft hoe ze een stroom dragen. N-type transistoren dragen een stroom door elektronen te transporteren terwijl P-type transistoren de afwezigheid van elektronen gebruiken, gaten genoemd.

Zwart fosfor is zo dun, realiseerde het team, dat het elektron- en gattransport op een vergelijkbaar stroomniveau mogelijk zou maken, wat de twee typen transistoren fundamenteel hetzelfde doet lijken. Dat was toen ze experimenteel de camouflagermogelijkheden van zwart fosfor-gebaseerde transistoren demonstrateerden. Deze transistoren zijn ook bekend om te opereren bij de lage spanningen van een computercip bij kamertemperatuur door hun kleinere dode zone voor elektronen-transport, beschreven als een kleine "band gap."

Maar ondanks de voordelen van zwart fosfor, zou de chipproductie-industrie waarschijnlijker een ander materiaal gebruiken om dit camouflage-effect te bereiken. "De industrie begint ultradunne, 2D-materialen te overwegen omdat ze meer transistoren op een chip toelaten, wat ze krachtiger maakt. Hoewel zwart fosfor een beetje te vluchtig is om compatibel te zijn met huidige verwerkingstechnieken, is het experimenteel aantonen van hoe een 2D-materiaal kan werken een stap in de richting van het uitzoeken hoe deze beveiligingsmaatregel te implementeren," zei Appenzeller.