Neues Transistordesign tarnt wichtige Computerchip-Hardware zum Schutz vor Hackern

Ein Hacker kann eine Schaltung auf einem Chip reproduzieren, indem er herausfindet, was wichtige Transistoren in einer Schaltung tun – aber nicht, wenn der „Typ“ des Transistors nicht erkennbar ist. Ingenieure der Purdue University haben einen Weg aufgezeigt, um zu verschleiern, welcher Transistor welcher ist, indem sie aus einem folienartigen Material namens schwarzer Phosphor gebaut wurden.

Reverse-Engineering-Chips sind eine gängige Praxis – sowohl für Hacker als auch für Unternehmen, die Verletzungen des geistigen Eigentums untersuchen. Forscher entwickeln auch Röntgenbildgebungsverfahren, bei denen ein Chip nicht berührt werden müsste, um ihn zurückzuentwickeln.

Der Ansatz, den die Purdue-Forscher demonstriert haben, würde die Sicherheit auf einer grundlegenderen Ebene erhöhen. Wie Chiphersteller entscheiden, dieses Transistordesign mit ihren Prozessen kompatibel zu machen, würde die Verfügbarkeit dieses Sicherheitsniveaus bestimmen.

Ein Chip rechnet mit Millionen von Transistoren in einer Schaltung. Wenn eine Spannung angelegt wird, führen zwei unterschiedliche Typen von Transistoren – ein N-Typ und ein P-Typ – eine Berechnung durch. Das Replizieren des Chips würde mit der Identifizierung dieser Transistoren beginnen.

„Aber weil sie deutlich unterschiedlich sind, könnten die richtigen Tools sie eindeutig identifizieren – so dass man rückwärts gehen, herausfinden könnte, was jede einzelne Schaltungskomponente tut, und dann den Chip reproduzieren“, sagte Professor Jörg Appenzeller. Wenn also diese beiden Transistortypen bei der Inspektion identisch erscheinen würden, wäre ein Hacker nicht in der Lage, einen Chip durch Reverse Engineering der Schaltung zu reproduzieren.

Appenzellers Team zeigte in ihrer Studie, dass die Tarnung der Transistoren durch die Herstellung aus einem Material wie schwarzem Phosphor es unmöglich macht, zu erkennen, welcher Transistor welcher ist. Wenn eine Spannung den Typ der Transistoren umschaltet, sehen sie für einen Hacker genau gleich aus.

Während die Tarnung bereits eine Sicherheitsmaßnahme ist, die von Chipherstellern verwendet wird, wird sie normalerweise auf Schaltungsebene durchgeführt und versucht nicht, die Funktionalität einzelner Transistoren zu verschleiern – wodurch der Chip potenziell anfällig für Reverse-Engineering-Hacking-Techniken mit den richtigen Tools bleibt. P>

Die Tarnmethode, die Appenzellers Team demonstrierte, würde darin bestehen, einen Sicherheitsschlüssel in die Transistoren einzubauen. Dieser Ansatz würde dazu führen, dass Transistoren vom N- und P-Typ auf einer grundlegenden Ebene gleich aussehen. Man konnte sie nicht wirklich unterscheiden, ohne den Schlüssel zu kennen. Nicht einmal der Chiphersteller wäre in der Lage, diesen Schlüssel nach der Herstellung des Chips zu extrahieren. „Du könntest den Chip stehlen, aber du hättest den Schlüssel nicht“, sagte Appenzeller.

Aktuelle Tarntechniken erfordern mehr Transistoren, um zu verbergen, was in der Schaltung vor sich geht. Aber das Verstecken des Transistortyps mit einem Material wie schwarzem Phosphor – einem Material, das so dünn wie ein Atom ist – erfordert weniger Transistoren, nimmt weniger Platz und Strom in Anspruch und schafft eine bessere Tarnung, sagten die Forscher.

Die Idee, den Transistortyp zu verschleiern, um das geistige Eigentum von Chips zu schützen, stammt ursprünglich aus einer Theorie von Sharon Hu, Professorin an der University of Notre Dame, und ihren Mitarbeitern. Was Transistoren vom N- und P-Typ normalerweise verrät, ist, wie sie einen Strom führen. Transistoren vom N-Typ führen einen Strom, indem sie Elektronen transportieren, während Transistoren vom P-Typ die Abwesenheit von Elektronen nutzen, die als Löcher bezeichnet werden.

Schwarzer Phosphor ist so dünn, erkannte das Team, dass er den Transport von Elektronen und Löchern bei einem ähnlichen Stromniveau ermöglichen würde, wodurch die beiden Transistortypen grundsätzlich gleich erscheinen würden. Damals demonstrierten sie experimentell die Tarnfähigkeiten von Transistoren auf der Basis von schwarzem Phosphor. Es ist auch bekannt, dass diese Transistoren aufgrund ihrer kleineren Totzone für den Elektronentransport, die als kleine „Bandlücke“ bezeichnet wird, bei den niedrigen Spannungen eines Computerchips bei Raumtemperatur arbeiten.

Doch trotz der Vorteile von schwarzem Phosphor würde die Chip-Herstellungsindustrie eher ein anderes Material verwenden, um diesen Tarneffekt zu erzielen. „Die Industrie beginnt, ultradünne 2D-Materialien in Betracht zu ziehen, weil sie es ermöglichen würden, dass mehr Transistoren auf einen Chip passen, was sie leistungsfähiger macht. Obwohl schwarzer Phosphor etwas zu flüchtig ist, um mit aktuellen Verarbeitungstechniken kompatibel zu sein, ist die experimentelle Demonstration, wie ein 2D-Material funktionieren könnte, ein Schritt, um herauszufinden, wie diese Sicherheitsmaßnahme implementiert werden kann“, sagte Appenzeller.