Neue Terahertz-Technik erlaubt Echtzeit-Blick in laufende Prozessoren
Forscher der University of Adelaide können erstmals mit Terahertzstrahlung in laufende Chips blicken - und das ganz ohne physischen Eingriff. Das eröffnet einige neue Möglichkeiten.
Wer einen Prozessor oder Halbleiterbaustein bislang von innen untersuchen wollte, musste das Gerät abschalten, das Gehäuse öffnen oder physische Kontaktspitzen anlegen. Röntgenaufnahmen zeigen die Struktur eines Chips - aber nicht, was elektrisch darin passiert. Wer das elektrische Verhalten beobachten wollte, benötigte offene Wafer und Messspitzen, die direkt auf die Leiterbahnen aufgesetzt wurden.
Forscher der australischen University of Adelaide haben nun eine Methode entwickelt, um mit Terahertzstrahlung in aktive, verpackte Halbleiterbauelemente zu blicken - und das Ganze ohne physischen Kontakt, ohne das Gehäuse zu öffnen und ohne den Chip abzuschalten. Das Ergebnis wurde im IEEE-Journal veröffentlicht.
Die Technik erlaubt es erstmals, Ladungsträgerbewegungen in laufenden Transistoren und Dioden in Echtzeit zu beobachten, was laut den Forschern auch sicherheitsrelevante Implikationen hat.
Terahertzstrahlung trifft auf schaltende Transistoren
Terahertzstrahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung - sie sind nicht ionisierend, also ungefährlich für Elektronik und biologisches Gewebe, können aber viele nichtmetallische Materialien durchdringen, darunter typische Chip-Gehäusematerialien aus Kunststoff oder Keramik.
- Das Forschungsteam nutzte einen Vektor-Netzwerkanalysator (VNA), der ein Mikrowellensignal mit bekannter Frequenz und Phase erzeugt.
- Ein Frequenzverstärker wandelt dieses Signal in Terahertzstrahlung um, die durch eine Fokussierlinse auf den zu prüfenden Chip gebündelt wird.
- Schalten die Transistoren im Chip während des Betriebs, verändern sich kurzzeitig die freien Ladungsträger im Halbleitermaterial. Diese winzigen Veränderungen beeinflussten, wie die auftreffende Terahertz-Welle reflektiert wird.
Der Schlüssel: Ein umgebauter Homodyne-Empfänger
Das entscheidende technische Problem: Die Veränderungen im Reflexionssignal sind extrem klein - oft kleiner als der Rauschpegel des Terahertz-Oszillators selbst. Bisherige Detektionsverfahren waren zu unempfindlich, um diese Signale sicher zu isolieren.
Die Lösung des Teams war ein sogenannter "Homodyne Quadrature Receiver", der das eingehende Signal direkt mit dem Originalsignal vergleicht und so Hintergrundrauschen rechnerisch herausfiltert. Entscheidend dabei: Das Team musste den Empfänger modifizieren, da er ursprünglich nur für Mikrowellenfrequenzen ausgelegt war.
Mit dieser Methode gelang es, elektrische Aktivität in handelsüblichen Bauelementen (einer 1N4007-Diode und einem BC548B-Transistor) in Echtzeit zu beobachten, ohne das Gehäuse zu öffnen oder das Bauteil abzuschalten.
Quelle: Chung et al.
Drei mögliche Einsatzgebiete
Die Forscher sehen drei zentrale Anwendungsfelder für die neue Technik:
- In der Halbleiterfertigung könnten Fehler in aktiven Schaltkreisen direkt während der Produktion erkannt werden - ohne destruktive Tests oder Betriebsunterbrechungen.
- Bei sicherheitskritischer Infrastruktur wie Hochleistungsumrichtern in Stromnetzen oder Medizingeräten erlaubt die Methode eine Zustandsüberwachung, ohne die Anlage abzuschalten.
- Zudem planen die Forscher, die Technik für Side-Channel-Sicherheitsanalysen weiterzuentwickeln - also die Frage, ob sich verschlüsselte Daten über das Schaltverhalten eines Chips indirekt auslesen lassen.
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Das reicht, wie gesagt, um ein ganz neues Detailverständnis und damit möglicherweise neue Strukturen von respektive für Power Stages oder Funkverstärker zu entwickeln. Aber ein Pentium III wurde in 0,130 bis 0,250 µm gefertigt. Selbst ein 8086 lag schon bei 3 µm und damit drei Größenordnungen jenseits der Möglichkeiten dieser Technologie. Sowas kann man frühestens mit UV-, besser Röntgenstrahlung auflösen – aber die sieht eben keine Ladungen mehr und schädigt dafür die Strukturen.
Aber spannende Analysetechnik für Hochfrequenz- und Leistungstransistoren und damit vielleicht irgendwann die Grundlage für Fortschritte bei Spannungswandlern und drahtloser Kommunikation.