想知道一部iPad里有什么東西嗎？更明確地說,，你是否想知道iPad的芯片里都有什么？Chipworks工程師們的工作就是盡力去尋找真相,。他們會(huì)拆解手機(jī)這類電子裝置,，對(duì)IC作反向工程，獲得完整的邏輯圖,，以發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)性智能,。有了Chipworks團(tuán)隊(duì)的輔助，客戶可以跟蹤自己競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的發(fā)展,，尋找專利的漏洞,。

       蘋果之前發(fā)布了iPad,，Chipworks對(duì)iPad的研究部分體現(xiàn)了該公司的能力。例如,，僅在iPad上市的一天后（今年4月4日下午）,，Chipworks的伙計(jì)們就推測(cè)出：蘋果采用了保守和低成本的技術(shù)，其重點(diǎn)在于工業(yè)設(shè)計(jì)和可用性,。

　　Chipworks發(fā)現(xiàn)的一些細(xì)節(jié)是：蘋果沒有采用iPhone 3G上采用的德州儀器公司全能觸摸屏控制器,，而是使用了iPhone 2G上的三芯片方案；兩片三星K9LCG08U1M 8GBMLC NAND閃存芯片提供了16GB存儲(chǔ)器,；蘋果A4處理器的封裝與前代蘋果iPhone處理器相同,，采用了層疊式封裝技術(shù)（兩個(gè)DRAM片芯已確認(rèn)是三星的128MB器件）；還使用了意法半導(dǎo)體公司的加速度計(jì)設(shè)計(jì),。

　　就此而言，iPad似乎更像一個(gè)大號(hào)的iPod,，而不是小型筆記本,。正如Chipworks高級(jí)技術(shù)分析師Dick James所言：“基本上，iPad是一臺(tái)增強(qiáng)了顯示屏和有更長(zhǎng)電池壽命的iPod Touch,。iPhone 2GB的觸摸屏結(jié)構(gòu)也許反映出了設(shè)計(jì)啟動(dòng)的日期,，我們可能會(huì)看到TI進(jìn)入下一代iPad設(shè)計(jì)，尤其是我們看到同樣的TI芯片出現(xiàn)在了最新iPhone,、iPod Touch和Magic Mouse中,。”

　　當(dāng)然，很多組織都在做拆解工作,，也包括兄弟雜志《EDN》“真相”欄目的編輯,。而Chipworks對(duì)產(chǎn)品中IC的研究工作與眾不同。例如,，圖1表示出了iPad中所用蘋果A4處理器的細(xì)節(jié)：圖1a是器件的一個(gè)橫截面,，圖1b是晶體管細(xì)節(jié)，圖1c是版面布局,。

 
從MEMS到RF功率放大器

　　Chipworks決定拆解A4并作反向工程的部分原因是蘋果圍繞iPad的大肆宣傳,，也有對(duì)該產(chǎn)品的好奇心。但Chipworks興趣與能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)熱門消費(fèi)產(chǎn)品的簡(jiǎn)單拆解,，而是要對(duì)多個(gè)IC作反向工程,。Chipworks為《EDN》“IC內(nèi)幕”專欄撰稿的工程師已經(jīng)闡述了很多IC的反向工程，包括電池充電器IC,、自供電RFID器件,、LED驅(qū)動(dòng)器、CMOS RF功率放大器,、采用MEMS的慣性傳感器,，以及DDR SDRAM等,。

　　為最新一期“IC內(nèi)幕”專欄撰稿的是Dick James與Randy Torrance，他們領(lǐng)導(dǎo)著Chipworks技術(shù)智能集團(tuán)下專長(zhǎng)于反向工程的電路分析團(tuán)隊(duì)：“在半導(dǎo)體行業(yè),，RE長(zhǎng)期以來就被公認(rèn)且被用做競(jìng)爭(zhēng)智能的一部分,。通常它廣泛用于產(chǎn)品基準(zhǔn)，以及支持專利許可活動(dòng)….半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,，尤其是大量器件與功能在單個(gè)元件中的集成,，已使RE從故障分析實(shí)驗(yàn)室中的苦差事，發(fā)展成為一種專門的工程專業(yè)類別,。”（參考文獻(xiàn)1）

　　無損傷地顯露片芯

　　為了更多地了解Chipworks,，我與Torrance以及Chipworks的工程師Sinjin Dixon-Warren、Neal Stansby和Darko Veselinovic作了交談,。Stansby說反向工程一般開始于一個(gè)“前端”工作,。

　　Stansby是Chipworks的研發(fā)集團(tuán)經(jīng)理，他解釋說：“一個(gè)封裝里可能有一只或多只硅片,，我們要使它們顯露出來,，而不造成損壞。”他描述了多種實(shí)現(xiàn)技術(shù)：“如果是塑料封裝,，我們會(huì)將其投入一杯酸性液體中,，就搞定了。如果是陶瓷封裝或金屬封裝,，就更具挑戰(zhàn)性,，也更耗時(shí)。我們有一本秘技,，使用不同類型的設(shè)備,，能使實(shí)際片芯從封裝中露出，而不損壞它,。”

　　片芯露出封裝后,，電路反向工程就要順序地暴露出互連層、器件層以及基層,。Stansby說：“我們順序地暴露出互連層,，最終是器件層，采用的方法是暴露特征而不損壞它們,。我們面臨的挑戰(zhàn)是特征尺度越來越小,，因此也日益脆弱。大多數(shù)情況下,，芯片尺寸也越來越大,。如果我們要暴露一只有12個(gè)金屬層芯片的整個(gè)第7金屬層，去層工作就要極端平整,，否則,，我們就會(huì)在一個(gè)區(qū)域看到第7層,，而在其它部分看到第6層和第8層。”他解釋說,，Chipworks會(huì)根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)所使用的材料,，如是銅互連還是鋁互連，以及是普通的電介質(zhì)還是低k電介質(zhì),，采用機(jī)械拋光與干,、濕式腐蝕相結(jié)合的方法。

　　對(duì)于新制造廠生產(chǎn)的器件,，或采用了Chipworks工程師以前從未處理過的工藝節(jié)點(diǎn)的器件,，要獲得正確的去層方法可能非常困難。Stansby補(bǔ)充說,，即使有過類似器件的經(jīng)驗(yàn)也不能保證工作的快速成功,，他指出：“也許你認(rèn)為，如果上周剛做了一個(gè)0.13μm的TS MC芯片,，這周又有另一顆,，那么它的去層過程也許沒什么區(qū)別，但實(shí)際上不是這樣,。某一層上走線密度這類特性都可能影響到腐蝕或拋光的速度?；蛘?，也許這周的芯片在制造時(shí)為了滿足某種特殊設(shè)計(jì)目的而放棄了某些設(shè)計(jì)規(guī)則。”所幸,，Chipworks的工藝分析團(tuán)隊(duì)可以提供幫助,。

　　工藝分析

　　工藝分析是Sinjin Dixon-Warren的專長(zhǎng)，他是Chipworks技術(shù)智能業(yè)務(wù)部門的工藝分析小組經(jīng)理,，他通過截面分析來研究工藝的細(xì)節(jié),。Torrance說：“我們開玩笑說，Sinjin的工作是看橫截面,，我的工作是看各層平不平,。”他補(bǔ)充說，事實(shí)上,，大多數(shù)工藝工作要采用截面分析,，而Torrance的工作中心則是對(duì)各層的照像和分析。

　　Dixon-Warren稱,，他的小組主要是做CTI（競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)智能）分析,，另外也支持智能產(chǎn)權(quán)小組，做尋找相關(guān)專利漏洞的工作,，例如一個(gè)過孔連接到一根金屬線的方式,，或晶體管構(gòu)造方式等結(jié)構(gòu)特征,。該小組還可以查找描述某些東西制造方法的相關(guān)工藝專利。這類專利漏洞可能很難證實(shí),，因?yàn)橄嘟淖罱K結(jié)構(gòu)可能源于完全不同的制造工藝,。然而，Dixon-Warren稱Chipworks的研究專注于CTI,，可以推動(dòng)進(jìn)一步的協(xié)商或訴訟,。

　　Dixon-Warren小組工作還有另外一個(gè)作用，即它收集的信息有助于確定最佳的去層方法,。例如,，Stansby稱工藝分析小組可以確定出最上面兩個(gè)金屬層為3μm厚，余下一層厚度是1μm,，這個(gè)信息可以幫助Chipworks工程師計(jì)算出最佳的腐蝕時(shí)間和拋光時(shí)間,。

　　顯微鏡是Chipworks工程師的關(guān)鍵工具。Stansby說：“你可以認(rèn)為我們隨時(shí)會(huì)用到任何類型的顯微鏡,。”優(yōu)質(zhì)顯微鏡可以幫助確定出感興趣的特征,，從而對(duì)截面作進(jìn)一步研究。SEM（電子掃描顯微鏡）提供了更高的放大倍率,，并且Stansby稱TEM（透射電子顯微鏡）“可把你帶到原子層級(jí),，提供也許是最高的放大倍率。”Chipworks還采用了掃描電容顯微鏡,，這是一種原子力顯微鏡,，它對(duì)硅摻雜的類型尤為靈敏。

　　Stansby指出：“這是一種相當(dāng)強(qiáng)大的反向工程技術(shù),，我們能夠以相當(dāng)好的三維分辨率,，看到硅片的摻雜區(qū)。”

　　圖像的拼圖

　　當(dāng)承擔(dān)一只芯片的反向工程時(shí),，Chipworks會(huì)試圖給每層提供一個(gè)樣本,。Stansby說：“對(duì)一個(gè)5金屬層的器件，我們會(huì)得到7個(gè)層,，即5個(gè)金屬層,，加上我們看到實(shí)際晶體管的多晶擴(kuò)散層，以及可以區(qū)分出p和n器件的基層,。”

　　一旦分層工作成功地暴露出了一個(gè)層,，下一步就是為它照像，這步有兩個(gè)難點(diǎn),。Stansby說,，首先，由于特征變得越來越小，放大倍率必須越來越大,，才能解析出有用的特征,。

　　Stansby說：“對(duì)于我們按照需要倍率購(gòu)買的任何顯微鏡，視場(chǎng)都是有用區(qū)域中的一個(gè)太小,、太小的部分,。所以，我們解決問題的辦法是以略微重疊的方式,，為每層拍攝一個(gè)二維的馬賽克圖,，然后再將它們拼到一起，獲得一個(gè)等效的大圖,。”他說,，為了研究一個(gè)3層?13層的器件，要為每層拍照6萬張照片,，這種事情并不罕見,。

　　獲得全部圖像可能非常耗時(shí)。Stansby說,，SEM通常是設(shè)計(jì)用于分析實(shí)驗(yàn)室,，而Chipworks則要將它們用于大批量的生產(chǎn)。他說,，公司采用的是商用SEM,，但它們經(jīng)過大量修改，以滿足Chipworks對(duì)吞吐量的要求,。
Stansby解釋說,，精度與準(zhǔn)確度也很關(guān)鍵。“假設(shè)我們要為金屬層6做一幅很好的綜合圖像,；我們打算將其與金屬層5的圖像重疊，我們希望重疊有足夠的精度,，這樣才能通過兩層之間的一個(gè)過孔去追蹤一根連線,。”他補(bǔ)充說:“在200nm或300nm的走線間距下，在一個(gè)可能為5mm,、6mm或10mm寬的區(qū)域中,，對(duì)誤差的容限大約為100 nm。從百分比看,，它們必須極端精確,，完全沒有失真，這樣才能準(zhǔn)確地追蹤連線,。”所以,，除了需要提高吞吐率以外，他說，“SEM還必須經(jīng)過優(yōu)化而有極高的精度,，才能使一切都處于一個(gè)非?？煽康淖鴺?biāo)系內(nèi)。”

　　簡(jiǎn)化了工作的軟件

　　Chipworks的軟件將所有圖像組合到一起,，并使用所有層對(duì)齊,，這個(gè)軟件名為ICWorks。通過ICWorks,，用戶可以在一臺(tái)CAD工作站上檢查所有層,，放大或縮小，在各層之間上下切換,，查看全部過孔,。Torrance說，圖象非常類似于設(shè)計(jì)工程師或布局工程師所見到的那樣,，不過ICWorks用戶看到的是實(shí)際圖像,，而不是一個(gè)CAD布局工具上經(jīng)過美化的方塊圖。

　　 此時(shí),，Chipworks工程師們要在圖像上作標(biāo)注,，確定所有器件與接線。標(biāo)注工作完成時(shí),，ICWorks工具會(huì)自動(dòng)輸出一份邏輯圖（圖2）,。Torrance說：“不幸的是，它輸出的邏輯圖是一個(gè)尺寸大得驚人的平板式邏輯圖”,，一般的芯片設(shè)計(jì)者幾乎無法看懂,。不過他補(bǔ)充說，Chipworks有這樣一些工程師,，“他們可以創(chuàng)建 分層圖,，做出一組邏輯圖，這樣其它工程師就可以閱讀和理解了,。”

　　對(duì)于Chipworks的客戶,，Torrance說：“現(xiàn)在，我們送您ICWorks工具,，有了這個(gè)工具,，你可獲得所有圖像，你可獲得我們做的全部標(biāo)注,，你還可以獲得我們做的全部邏輯圖,。ICWorks使你能夠在所有這些之間作交叉定位，這樣可以在邏輯圖中選擇一只器件,，然后通過快速交叉定位,，在所有不同層中看到它的圖像,，以及它的制造方式。”

　　系統(tǒng)級(jí)的顯微術(shù)

　　顯微鏡是工藝分析與邏輯圖提取的關(guān)鍵工具,，用系統(tǒng)級(jí)的非破壞式拆解就可以作電子測(cè)試,。系統(tǒng)工程師Darko Veselinovic解釋說：“在某些項(xiàng)目上，我們會(huì)將拆解工作與對(duì)一只仍運(yùn)行的片芯的顯微術(shù)相結(jié)合,，”探查那些通過分層圖像獲取以及邏輯圖提取過程而定位的感興趣信號(hào),。被監(jiān)測(cè)的片芯可能在其原來的PCB（印刷電路板）上，或在一個(gè)專門制造的測(cè)試夾具上,。

　　Veselinovic指出了捕獲一個(gè)待查系統(tǒng)信號(hào)的一些挑戰(zhàn)：“以一個(gè)汽車應(yīng)用為例,。如果我們能夠有某種方式，以固定方法操作汽車,，而不必須開動(dòng)它,，那么就簡(jiǎn)單些了。我們可以做一些延伸電纜,，這樣就能將一個(gè)控制盒放在便于獲得有用信號(hào)的地方,。”

　　不過，在其它情況下,，控制器與汽車之間的機(jī)械鏈接也許會(huì)使這種方式不可行,。Veselinovic表示，在這種情況下,，“我們會(huì)試圖在什么也不損壞的前提下打開盒子,，然后可能在盒子的一個(gè)地方鉆個(gè)孔，這樣就可以把探頭放進(jìn)去,。然后,，我們會(huì)嘗試將一切組裝起來，讓它正常工作,，而盒子并不比原來大,，我們會(huì)試圖把它放到原來的位置。”

　　當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),，可以用外接測(cè)試測(cè)量設(shè)備監(jiān)控信號(hào)的工作,。Veselinovic稱，有時(shí)候,，這種監(jiān)控需要他的小組建立一個(gè)FPGA前端，用于將信號(hào)傳輸通過一個(gè)高噪環(huán)境,，或長(zhǎng)距離傳輸大量信息,。他指出，Chipworks會(huì)充分利用原設(shè)計(jì)者提供的任何接入法,，如一個(gè)JTAG端口,。

　　反向工程的哲學(xué)

　　Torrance稱他曾有機(jī)會(huì)在一系列場(chǎng)合談?wù)摲聪蚬こ蹋ū镜豂EEE分會(huì)的會(huì)議，他提到一個(gè)經(jīng)常被談及的問題,，“這合法嗎,？”實(shí)際上答案是正面的。Torrance解釋說,，在美國(guó),，《半導(dǎo)體芯片保護(hù)法案》對(duì)反向工程做了保護(hù)，允許該技術(shù)“用于遮罩產(chǎn)品或電路所包含技術(shù)的教學(xué),、分析或評(píng)估,。”他說，日本,、歐盟和其它管轄區(qū)域也存在著類似的法規(guī),。

　　Torrance說他還發(fā)現(xiàn)“很多人似乎并不知道這是可能的，即可以每次從一只芯片上獲得一個(gè)層,，對(duì)它作實(shí)際的拍攝,，看清一切。我想,，很多設(shè)計(jì)人員可能認(rèn)為他們對(duì)芯片作了封裝,，沒有人能夠看到里面的內(nèi)容，而這不是真的,。”

　　阻撓反向工程小組研究的力量是一直存在的,。Stansby說：“如果你瀏覽一下專利世界，就會(huì)發(fā)現(xiàn)各種人都在申請(qǐng)一些試圖增加反向工程難度的制造技術(shù)專利,，例如,，看上去像過孔而并不做連接的結(jié)構(gòu)。但實(shí)際情況是,，我發(fā)現(xiàn)公司有史以來從未在實(shí)際芯片中看到這些,，至少商用芯片中沒有。”

　　Torramce補(bǔ)充“偶爾我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有金屬板的層,，它似乎完全沒有功能作用,，下面有一些電路。我們可以想到的唯一理由是設(shè)計(jì)者試圖將電路隱藏起來,，不想讓人看到,，但這對(duì)我們根本沒有妨礙。”

　　參考文獻(xiàn)
1. Torrance, Randy, and Dick James, "IC reverse engineering-a design team perspective," EDN, March 11, 2010. www.edn.com/icinsider.