Disfrazar hardware de chip de computadora clave de piratas informáticos con un nuevo diseño de transistor

Los cuatro transistores de este chip se construyeron con un material 2D que los disfraza de los piratas informáticos. Crédito: Foto de la Universidad de Purdue / John Underwood

Un pirata informático puede reproducir un circuito en un chip al descubrir qué hacen los transistores clave en un circuito, pero no si el “tipo” de transistor es indetectable.

Los ingenieros de la Universidad de Purdue han demostrado una forma de disfrazar qué transistor es cuál construyéndolos a partir de un material en forma de hoja llamado fósforo negro. Esta medida de seguridad incorporada evitaría que los piratas informáticos obtengan suficiente información sobre el circuito para realizar ingeniería inversa.

Los hallazgos aparecen en un artículo publicado el 7 de diciembre de 2020, en Naturaleza Electrónica.

Los chips de ingeniería inversa son una práctica común, tanto para los piratas informáticos como para las empresas que investigan infracciones de propiedad intelectual. Los investigadores también están desarrollando técnicas de imágenes de rayos X que no requerirían tocar un chip para realizar ingeniería inversa.

El enfoque que han demostrado los investigadores de Purdue aumentaría la seguridad en un nivel más fundamental. La forma en que los fabricantes de chips elijan hacer que este diseño de transistor sea compatible con sus procesos determinaría la disponibilidad de este nivel de seguridad.

Un chip calcula utilizando millones de transistores en un circuito. Cuando se aplica un voltaje, dos tipos distintos de transistores, un tipo N y un tipo P, realizan un cálculo. La replicación del chip comenzaría con la identificación de estos transistores.

“Estos dos tipos de transistores son clave ya que hacen cosas diferentes en un circuito. Están en el corazón de todo lo que sucede en todos nuestros chips ”, dijo Joerg Appenzeller, profesor de ingeniería eléctrica e informática de Purdue, Barry M. y Patricia L. Epstein. “Pero debido a que son claramente diferentes, las herramientas adecuadas podrían identificarlos claramente, lo que le permite retroceder, averiguar qué está haciendo cada componente individual del circuito y luego reproducir el chip”.

Si estos dos tipos de transistores parecieran idénticos en la inspección, un pirata informático no podría reproducir un chip mediante ingeniería inversa del circuito.

El equipo de Appenzeller demostró en su estudio que camuflar los transistores fabricándolos con un material como el fósforo negro hace que sea imposible saber qué transistor es cuál. Cuando un voltaje cambia el tipo de transistores, le parecen exactamente iguales a un hacker.

Si bien el camuflaje ya es una medida de seguridad que utilizan los fabricantes de chips, generalmente se realiza a nivel de circuito y no intenta ocultar la funcionalidad de los transistores individuales, lo que deja al chip potencialmente vulnerable a las técnicas de piratería de ingeniería inversa con las herramientas adecuadas.

El método de camuflaje que demostró el equipo de Appenzeller sería construir una llave de seguridad en los transistores.

“Nuestro enfoque haría que los transistores de tipo N y P se vean iguales en un nivel fundamental. Realmente no se pueden distinguir sin conocer la clave ”, dijo Peng Wu, un estudiante de doctorado de Purdue en ingeniería eléctrica e informática que construyó y probó un chip prototipo con transistores basados ​​en fósforo negro en el Centro de Nanotecnología Birck de Purdue’s Discovery. Parque.

Ni siquiera el fabricante del chip podría extraer esta clave una vez producido el chip.

“Podrías robar el chip, pero no tendrías la llave”, dijo Appenzeller.

Las técnicas de camuflaje actuales siempre requieren más transistores para ocultar lo que sucede en el circuito. Pero ocultar el tipo de transistor usando un material como el fósforo negro, un material tan delgado como un átomo – requiere menos transistores, ocupando menos espacio y energía, además de crear un mejor disfraz, dijeron los investigadores.

La idea de oscurecer el tipo de transistor para proteger la propiedad intelectual del chip surgió originalmente de una teoría de la profesora de la Universidad de Notre Dame, Sharon Hu, y sus colaboradores. Por lo general, lo que da a los transistores de tipo N y P es cómo llevan la corriente. Los transistores de tipo N transportan una corriente mediante el transporte de electrones, mientras que los transistores de tipo P utilizan la ausencia de electrones, llamados agujeros.

El equipo de Appenzeller se dio cuenta de que el fósforo negro es tan delgado que permitiría el transporte de electrones y huecos a un nivel de corriente similar, lo que haría que los dos tipos de transistores parezcan fundamentalmente iguales según la propuesta de Hu.

Luego, el equipo de Appenzeller demostró experimentalmente las capacidades de camuflaje de los transistores basados ​​en fósforo negro. También se sabe que estos transistores operan a los voltajes bajos de un chip de computadora a temperatura ambiente debido a su zona muerta más pequeña para el transporte de electrones, descrita como una pequeña “banda prohibida”.

Pero a pesar de las ventajas del fósforo negro, es más probable que la industria de fabricación de chips utilice un material diferente para lograr este efecto de camuflaje.

“La industria está empezando a considerar materiales 2D ultradelgados porque permitirían que quepan más transistores en un chip, haciéndolos más potentes. El fósforo negro es demasiado volátil para ser compatible con las técnicas de procesamiento actuales, pero mostrar experimentalmente cómo podría funcionar un material 2D es un paso para descubrir cómo implementar esta medida de seguridad ”, dijo Appenzeller.

Referencia: “Transistores bidimensionales con polaridades reconfigurables para circuitos seguros” por Peng Wu, Dayane Reis, Xiaobo Sharon Hu y Joerg Appenzeller, 7 de diciembre de 2020, Naturaleza Electrónica.
DOI: 10.1038 / s41928-020-00511-7

El trabajo está financiado por el Indiana Innovation Institute y Lilly Endowment, Inc.

Pilar Benegas es una reconocida periodista con amplia experiencia en importantes medios de USA, como LaOpinion, Miami News, The Washington Post, entre otros. Es editora en jefe de Es de Latino desde 2019.