Purdue-Ingenieure entwickeln verstecktes Transistor-Design zum Schutz von Chips vor Reverse Engineering

Ein Hacker kann einen Schaltkreis auf einem Chip reproduzieren, indem er herausfindet, was Schlüsselltransistoren in einem Schaltkreis tun – aber nicht, wenn der Transistor-„Typ“ nicht detektierbar ist. Purdue-Universitäts-Ingenieure haben einen Weg demonstriert, zu verschleiern, welcher Transistor welcher ist, indem sie sie aus einem blattartigen Material namens schwarzem Phosphor bauen.

Reverse Engineering von Chips ist gängige Praxis – sowohl für Hacker als auch für Unternehmen, die Verletzungen geistigen Eigentums untersuchen. Forscher entwickeln auch Röntgen-Imaging-Techniken, die nicht erfordern, einen Chip tatsächlich anzufassen, um ihn zu reverse-engineeren.

Der Ansatz, den die Purdue-Forscher demonstriert haben, würde Sicherheit auf einer fundamentaleren Ebene erhöhen. Wie Chiphersteller dieses Transistor-Design mit ihren Prozessen kompatibel machen, würde die Verfügbarkeit dieses Sicherheitslevels bestimmen.

Ein Chip berechnet mit Millionen von Transistoren in einem Schaltkreis. Wenn eine Spannung angelegt wird, führen zwei distincte Transistortypen – ein N-Typ und ein P-Typ – eine Berechnung durch. Die Replikation des Chips würde beginnen mit der Identifikation dieser Transistoren.

„Aber weil sie distinkt unterschiedlich sind, könnten die richtigen Werkzeuge sie klar identifizieren – was es ermöglicht, rückwärts zu gehen, herauszufinden, was jedes einzelne Schaltkreiskomponente tut, und dann den Chip zu reproduzieren“, sagte Professor Joerg Appenzeller. Wenn diese beiden Transistortypen bei Inspektion identisch erscheinen würden, könnte ein Hacker einen Chip nicht durch Reverse Engineering des Schaltkreises reproduzieren.

Appenzellers Team zeigte in ihrer Studie, dass das Tarnen der Transistoren durch Fertigung aus einem Material wie schwarzem Phosphor es unmöglich macht, zu wissen, welcher Transistor welcher ist. Wenn eine Spannung die Transistortypen umschaltet, erscheinen sie einem Hacker genau gleich.

Während Tarnung bereits eine Sicherheitsmaßnahme ist, die Chiphersteller nutzen, wird sie typischerweise auf Schaltkreisebene durchgeführt und versucht nicht, die Funktionalität einzelner Transistoren zu verschleiern – was den Chip potenziell verwundbar für Reverse-Engineering-Hacking-Techniken mit den richtigen Werkzeugen lässt.

Die Tarnmethode, die Appenzellers Team demonstrierte, wäre das Einbauen eines Sicherheitsschlüssels in die Transistoren. Dieser Ansatz würde N- und P-Typ-Transistoren auf fundamentaler Ebene gleich aussehen lassen. Man könnte sie nicht wirklich unterscheiden, ohne den Schlüssel zu kennen. Nicht einmal der Chiphersteller könnte diesen Schlüssel nach der Chipproduktion extrahieren. „Sie könnten den Chip stehlen, aber Sie hätten nicht den Schlüssel“, sagte Appenzeller.

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

Die Idee, den Transistortyp zu verschleiern, um Chip-IP zu schützen, kam ursprünglich aus einer Theorie von University-of-Notre-Dame-Professorin Sharon Hu und ihren Mitarbeitern. Typischerweise verraten N- und P-Typ-Transistoren, wie sie einen Strom führen. N-Typ-Transistoren führen Strom durch Transport von Elektronen, während P-Typ-Transistoren das Fehlen von Elektronen nutzen, genannt Löcher.

Schwarzer Phosphor ist so dünn, erkannte das Team, dass er Elektronen- und Lochtransport auf ähnlichem Stromniveau ermöglichen würde, was die beiden Transistortypen fundamental gleicher erscheinen lässt. Das war der Moment, in dem sie die Tarnfähigkeiten von schwarzem-Phosphor-basierten Transistoren experimentell demonstrierten. Diese Transistoren sind auch bekannt dafür, bei den niedrigen Spannungen eines Computerchips bei Raumtemperatur zu operieren, aufgrund ihrer kleineren Toten Zone für Elektronentransport, beschrieben als kleiner „Bandabstand“.

Trotz der Vorteile von schwarzem Phosphor würde die Chipfertigungsindustrie wahrscheinlich ein anderes Material verwenden, um diesen Tarneffekt zu erreichen. „Die Industrie beginnt, ultradünne 2D-Materialien in Betracht zu ziehen, weil sie mehr Transistoren auf einem Chip unterbringen würden, was sie leistungsfähiger macht. Obwohl schwarzer Phosphor etwas zu volatil ist, um mit aktuellen Verarbeitungstechniken kompatibel zu sein, ist das experimentelle Zeigen, wie ein 2D-Material funktionieren könnte, ein Schritt dahin, herauszufinden, wie man diese Sicherheitsmaßnahme implementiert“, sagte Appenzeller.