近五十年來，集成電路上的晶體管密度果真如威名赫赫的“摩爾定律”所預(yù)言的一樣：每兩年就會翻一番。
這一現(xiàn)象的出現(xiàn)也就意味著：那些芯片生產(chǎn)商們，如英特爾、AMD或是高通，每兩年就要絞盡腦汁、想方設(shè)法地往相同尺寸的芯片里塞進(jìn)比之前多一倍的晶體管，以便我們年復(fù)一年的用上性能更強，處理速度更快的電腦芯片。
這些生產(chǎn)商們?yōu)榱嗽谛酒腥菁{更多的晶體管，就將芯片內(nèi)部的晶體管陣列設(shè)計得如同城市網(wǎng)絡(luò)般復(fù)雜紛繁。因此，毫無懸念的是，晶體管尺寸被設(shè)計得越來越小，他們之間的距離也靠得越來越近。
舉例而言，英特爾在 2014 年推出的Broadwell處理器已經(jīng)將組件之間的距離縮小到了 14 nm。這個距離嘛，大概是 1 張普通A4紙厚度的 1 萬分之一。
CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖與電腦芯片內(nèi)部掃描電子顯微鏡圖像
如此精密的設(shè)計與排布，使得芯片制造商們面臨著一個令他們束手無策的難題：如何才能在不破壞芯片的前提下，去觀察芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)？畢竟，只有看到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制造商們才能確保這批已經(jīng)完工的芯片結(jié)構(gòu)與他們所期待的如出一轍。
來自瑞士的保羅謝勒研究院（Paul Sherrer Institute，PSI）的研究員們?yōu)檫@個難題找到了一個可行性的解決方案。在這篇發(fā)表于《自然》雜志上的文章中，他們使用了一項名為“疊層衍射X射線計算機斷層掃描成像”的技術(shù)，成功的得到了一枚英特爾芯片的內(nèi)部 3 維構(gòu)造。
“疊層衍射成像”是一種不依賴透鏡，通過恢復(fù)衍射圖像中相位的成像手段。簡而言之，研究人員們向一塊不停旋轉(zhuǎn)的芯片照射一束X射線，接著通過電腦程序分析而得到不同角度芯片的衍射圖案，從而在電腦中重建芯片內(nèi)部精密的三維結(jié)構(gòu)。
在這次研究里，PSI的研究人員們先后對兩枚芯片進(jìn)行了測試。其中一枚是由PSI自行開發(fā)研制的，采用了110納米工藝制作的專用集成電路芯片（ASIC）；另一枚則是來自英特爾的奔騰G3230處理器，這枚處理器采用了22納米的工藝，與最現(xiàn)代的14納米工藝僅有一步之遙。
PSI自制的專用集成電路芯片的3維結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的2維圖像
利用這項技術(shù)，研究人員們實現(xiàn)了高達(dá)14.6納米的分辨率，成功的復(fù)原了這兩塊芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。令人倍感欣喜的是，他們可以清晰地看見芯片內(nèi)部的晶體管和內(nèi)部電路。
毫無疑問，PSI研究人員開發(fā)的這項手段，是芯片檢測技術(shù)的一項重大飛越。
但在此之前，芯片內(nèi)部的檢測大多依賴于掃描電子顯微鏡，或透射電子顯微鏡來看一探究竟。這兩種常規(guī)手段需要像剝洋蔥一般，工作人員需耐心地、一層一層地除去芯片的上層電路，才能夠最終揭示芯片內(nèi)部晶體管的形貌。這一手段費時費力不說，更令人不滿的是，即使再小心翼翼，仍不可避免的會破壞芯片內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。
如前文所言，隨著芯片的集成度越來越高，芯片內(nèi)部晶體管的層數(shù)也日漸增多，實際內(nèi)部電路的厚度有時可達(dá)約十微米之多。在這種情況下，依賴于電子顯微鏡、進(jìn)行逐個分析晶體管的過程就顯得難以為繼。對于已經(jīng)封裝的電腦芯片而言，這兩種手段更是無能為力。
一名來自普渡大學(xué)的一名電子愛好者，為了一探電腦芯片內(nèi)部的究竟，像砸核桃一樣，把芯片砸出一個大洞。（如下圖）
被砸壞的芯片
相比于前兩者，研究人員所開發(fā)的“疊層衍射成像技術(shù)”則道高一丈。這項技術(shù)集X射線所具有的兩大特點于一身：高穿透率和高分辨率。
不僅如此，在芯片檢測這項應(yīng)用中，這項技術(shù)還擁有常規(guī)電子顯微鏡所難以企及的兩個優(yōu)勢：其一，避免了對芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)的破壞；其二，避免了因切割不精細(xì)而導(dǎo)致圖像的扭曲變形。
如此一來，人們便可以利用這項技術(shù)來獲取“三維結(jié)構(gòu)芯片”更加完整且準(zhǔn)確的信息。
另一張英特爾處理器的三維結(jié)構(gòu)示意圖
但就目前形勢來看，這項技術(shù)距離實際應(yīng)用還欠些東風(fēng)。在本次研究中所使用的“X射線光源”可不是某個業(yè)余愛好者可以在自家后院就能鼓搗出來的“光”。
研究人員們?yōu)榱说玫阶詈玫某上裥Ч褂昧穗`屬于PSI的瑞士同步輻射光源的“高相干輻射X-射線”。即使在全球，類似的同步輻射光源設(shè)施也屈指可數(shù)。
另一方面，這項研究同樣也耗費了不少時間，研究人員不僅要花24小時才能完成疊層衍射實驗，而且還需要另一個24小時去處理得到的數(shù)據(jù)。
瑞士光源的鳥瞰圖
不過，本次研究的負(fù)責(zé)人，同時也是該論文的第一作者莫爾克·霍勒（Mirko Holler）胸有成竹的在文章中表示：通過使用更多的計算機、改進(jìn)實驗裝置以及X射線源，會將這一實驗所需的時間縮短至現(xiàn)在的千分之一。
除此之外，更具挑戰(zhàn)性的的一點在于：聞名的“摩爾定律”驅(qū)使著芯片制造商們連年推出尺寸更小的晶體管。在這種情況下，人們觀察芯片所用的“放大鏡”也需要擁有自己的“摩爾定律”，才不至于在這場競賽中落下太遠(yuǎn)。
就現(xiàn)在的情形來看，芯片制造商們已經(jīng)占了上風(fēng)。在本次研究中，莫爾克·霍勒所實現(xiàn)的最高分辨率約為 14.6 納米，盡管這一數(shù)字十分了不起，可目前由英特爾開發(fā)的最新一代的處理器芯片，卻已經(jīng)邁進(jìn)了10納米制程的門檻。
無論怎么說，這次莫爾克等人的研究將在“芯片無損檢測”領(lǐng)域上留下濃墨重彩的一筆。隨著這項技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，或許在不遠(yuǎn)的將來，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢視不再是“一錘子買賣”。
相反的，當(dāng)人們將芯片放入某個類似的裝置之后，即可一覽芯片的內(nèi)部構(gòu)造。從這個意義上說，芯片的設(shè)計似乎變得“透明”了。
論文的作者M(jìn)irko Holler（右）與 Manuel Guizar-Sicairos（左）
與此同時，對于芯片制造商來說，這一技術(shù)的問世無疑將會對這個行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。通過檢視芯片內(nèi)部是否存在制造缺陷這一做法，制造們可以借此實行更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制和品質(zhì)管理方針。
除此之外，人們還能利用這項技術(shù)來確認(rèn)集成電路設(shè)計，了解其內(nèi)部功能，優(yōu)化其生產(chǎn)流程，并找出可能的失效機制。
從消費者的角度看，這一技術(shù)同樣惹人關(guān)注。最近，硬件安全也日益成為了一個頗受重視的話題。特別是對于國防和軍工行業(yè)而言，如果能將這項技術(shù)能夠加以運用，他們便可以確認(rèn)，芯片內(nèi)部是否存在可能竊取機密的惡意硬件，即所謂的“硬件木馬”。畢竟，一塊被砸壞了的芯片可是沒有半點用處的。
時至今日，芯片無損檢測的發(fā)展尚未成熟，但是瑞士保羅謝勒研究院的科學(xué)家們?yōu)檎嬲摹巴该餍酒钡奈磥碚樟亮巳碌穆窂健?/p>