Ingenieros de Purdue desarrollan diseño de transistor oculto para proteger chips de ingeniería inversa

Un hacker puede reproducir un circuito en un chip descubriendo qué transistores clave están haciendo en un circuito — pero no si el "tipo" de transistor es indetectable. Ingenieros de la Universidad Purdue han demostrado una forma de disfrazar qué transistor es cuál construyéndolos de un material en forma de hoja llamado fósforo negro.

La ingeniería inversa de chips es una práctica común — tanto para hackers como para empresas investigando infracción de propiedad intelectual. Investigadores también están desarrollando técnicas de imagen por rayos X que no requerirían tocar un chip para hacer ingeniería inversa.

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

Un chip computa usando millones de transistores en un circuito. Cuando se aplica un voltaje, dos tipos distintos de transistores — tipo N y tipo P — realizan un cómputo. Replicar el chip comenzaría con identificar estos transistores.

"Pero porque son distintivamente diferentes, las herramientas correctas podrían identificarlos claramente — permitiéndote ir hacia atrás, averiguar qué está haciendo cada componente individual del circuito y luego reproducir el chip", dijo el Profesor Joerg Appenzeller. Así que, si estos dos tipos de transistores aparecieran idénticos al inspeccionarlos, un hacker no podría reproducir un chip haciendo ingeniería inversa del circuito.

El equipo de Appenzeller mostró en su estudio que camuflar los transistores fabricándolos de un material como fósforo negro hace imposible saber cuál es cuál. Cuando un voltaje alterna el tipo de transistores, aparecen exactamente iguales para un hacker.

Aunque el camuflaje ya es una medida de seguridad que usan los fabricantes de chips, típicamente se hace a nivel de circuito e no intenta ocultar la funcionalidad de transistores individuales — dejando el chip potencialmente vulnerable a técnicas de hacking de ingeniería inversa con las herramientas correctas.

El método de camuflaje que el equipo de Appenzeller demostró sería construir una clave de seguridad en los transistores. Ese enfoque haría que transistores tipo N y P se vean iguales a nivel fundamental. No podrías realmente distinguirlos sin conocer la clave. Ni siquiera el fabricante del chip podría extraer esta clave después de que el chip se produce. "Podrías robar el chip, pero no tendrías la clave", dijo Appenzeller.

Las técnicas de camuflaje actuales requieren más transistores para ocultar lo que está pasando en el circuito. Pero ocultar el tipo de transistor usando un material como 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 ocultar el tipo de transistor para proteger la propiedad intelectual del chip originalmente vino de una teoría de la profesora de Universidad de Notre Dame Sharon Hu y sus colaboradores. Típicamente, lo que delata a transistores tipo N y P es cómo transportan corriente. Transistores tipo N transportan corriente transportando electrones mientras que transistores tipo P usan la ausencia de electrones, llamados huecos.

El fósforo negro es tan delgado, el equipo se dio cuenta, que permitiría transporte de electrones y huecos a un nivel de corriente similar, haciendo que los dos tipos de transistores aparezcan más fundamentalmente iguales. Fue cuando demostraron experimentalmente las habilidades de camuflaje de transistores basados en fósforo negro. Estos transistores también son conocidos por operar a los bajos voltajes de un chip de computadora a temperatura ambiente debido a su zona muerta más pequeña para transporte de electrones, descrita como un pequeño "band gap".

Pero a pesar de las ventajas del fósforo negro, la industria de manufactura de chips más probablemente usaría un material diferente para lograr este efecto de camuflaje. "La industria está empezando a considerar materiales 2D ultradelgados porque permitirían más transistores en un chip, haciéndolos más poderosos. Aunque el fósforo negro es un poco demasiado volátil para ser compatible con técnicas de procesamiento actuales, mostrar experimentalmente cómo un material 2D podría funcionar es un paso hacia averiguar cómo implementar esta medida de seguridad", dijo Appenzeller.