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。他們會拆解手機這類電子裝置，對IC作反向工程，獲得完整的邏輯圖，以發展競爭性智能。有了Chipworks團隊的輔助，客戶可以跟蹤自己競爭對手的發展，尋找專利的漏洞。

       蘋果之前發布了iPad，Chipworks對iPad的研究部分體現了該公司的能力。例如，僅在iPad上市的一天后（今年4月4日下午），Chipworks的伙計們就推測出：蘋果采用了保守和低成本的技術，其重點在于工業設計和可用性。

　　Chipworks發現的一些細節是：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（兩個DRAM片芯已確認是三星的128MB器件）；還使用了意法半導體公司的加速度計設計。

　　就此而言，iPad似乎更像一個大號的iPod，而不是小型筆記本。正如Chipworks高級技術分析師Dick James所言：“基本上，iPad是一臺增強了顯示屏和有更長電池壽命的iPod Touch。iPhone 2GB的觸摸屏結構也許反映出了設計啟動的日期，我們可能會看到TI進入下一代iPad設計，尤其是我們看到同樣的TI芯片出現在了最新iPhone、iPod Touch和Magic Mouse中。”

　　當然，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對產品中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處理器的細節：圖1a是器件的一個橫截面，圖1b是晶體管細節，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，也有對該產品的好奇心。但Chipworks興趣與能力遠遠超出了對熱門消費產品的簡單拆解，而是要對多個IC作反向工程。Chipworks為《EDN》“IC內幕”專欄撰稿的工程師已經闡述了很多IC的反向工程，包括電池充電器IC、自供電RFID器件、LED驅動器、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內幕”專欄撰稿的是Dick James與Randy Torrance，他們領導著Chipworks技術智能集團下專長于反向工程的電路分析團隊：“在半導體行業，RE長期以來就被公認且被用做競爭智能的一部分。通常它廣泛用于產品基準，以及支持專利許可活動….半導體技術的進步，尤其是大量器件與功能在單個元件中的集成，已使RE從故障分析實驗室中的苦差事，發展成為一種專門的工程專業類別。”（參考文獻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“前端”工作。

　　Stansby是Chipworks的研發集團經理，他解釋說：“一個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。”他描述了多種實現技術：“如果是塑料封裝，我們會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，就更具挑戰性，也更耗時。我們有一本秘技，使用不同類型的設備，能使實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。我們面臨的挑戰是特征尺度越來越小，因此也日益脆弱。大多數情況下，芯片尺寸也越來越大。如果我們要暴露一只有12個金屬層芯片的整個第7金屬層，去層工作就要極端平整，否則，我們就會在一個區域看到第7層，而在其它部分看到第6層和第8層。”他解釋說，Chipworks會根據芯片結構所使用的材料，如是銅互連還是鋁互連，以及是普通的電介質還是低k電介質，采用機械拋光與干、濕式腐蝕相結合的方法。

　　對于新制造廠生產的器件，或采用了Chipworks工程師以前從未處理過的工藝節點的器件，要獲得正確的去層方法可能非常困難。Stansby補充說，即使有過類似器件的經驗也不能保證工作的快速成功，他指出：“也許你認為，如果上周剛做了一個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別，但實際上不是這樣。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。或者，也許這周的芯片在制造時為了滿足某種特殊設計目的而放棄了某些設計規則。”所幸，Chipworks的工藝分析團隊可以提供幫助。

　　工藝分析

　　工藝分析是Sinjin Dixon-Warren的專長，他是Chipworks技術智能業務部門的工藝分析小組經理，他通過截面分析來研究工藝的細節。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。”他補充說，事實上，大多數工藝工作要采用截面分析，而Torrance的工作中心則是對各層的照像和分析。

　　Dixon-Warren稱，他的小組主要是做CTI（競爭性技術智能）分析，另外也支持智能產權小組，做尋找相關專利漏洞的工作，例如一個過孔連接到一根金屬線的方式，或晶體管構造方式等結構特征。該小組還可以查找描述某些東西制造方法的相關工藝專利。這類專利漏洞可能很難證實，因為相近的最終結構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，可以推動進一步的協商或訴訟。

　　Dixon-Warren小組工作還有另外一個作用，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金屬層為3μm厚，余下一層厚度是1μm，這個信息可以幫助Chipworks工程師計算出最佳的腐蝕時間和拋光時間。

　　顯微鏡是Chipworks工程師的關鍵工具。Stansby說：“你可以認為我們隨時會用到任何類型的顯微鏡。”優質顯微鏡可以幫助確定出感興趣的特征，從而對截面作進一步研究。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，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，它對硅摻雜的類型尤為靈敏。

　　Stansby指出：“這是一種相當強大的反向工程技術，我們能夠以相當好的三維分辨率，看到硅片的摻雜區。”

　　圖像的拼圖

　　當承擔一只芯片的反向工程時，Chipworks會試圖給每層提供一個樣本。Stansby說：“對一個5金屬層的器件，我們會得到7個層，即5個金屬層，加上我們看到實際晶體管的多晶擴散層，以及可以區分出p和n器件的基層。”

　　一旦分層工作成功地暴露出了一個層，下一步就是為它照像，這步有兩個難點。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：“對于我們按照需要倍率購買的任何顯微鏡，視場都是有用區域中的一個太小、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，為每層拍攝一個二維的馬賽克圖，然后再將它們拼到一起，獲得一個等效的大圖。”他說，為了研究一個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。Stansby說，SEM通常是設計用于分析實驗室，而Chipworks則要將它們用于大批量的生產。他說，公司采用的是商用SEM，但它們經過大量修改，以滿足Chipworks對吞吐量的要求。
Stansby解釋說，精度與準確度也很關鍵。“假設我們要為金屬層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過孔去追蹤一根連線。”他補充說:“在200nm或300nm的走線間距下，在一個可能為5mm、6mm或10mm寬的區域中，對誤差的容限大約為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還必須經過優化而有極高的精度，才能使一切都處于一個非常可靠的坐標系內。”

　　簡化了工作的軟件

　　Chipworks的軟件將所有圖像組合到一起，并使用所有層對齊，這個軟件名為ICWorks。通過ICWorks，用戶可以在一臺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，圖象非常類似于設計工程師或布局工程師所見到的那樣，不過ICWorks用戶看到的是實際圖像，而不是一個CAD布局工具上經過美化的方塊圖。

　　 此時，Chipworks工程師們要在圖像上作標注，確定所有器件與接線。標注工作完成時，ICWorks工具會自動輸出一份邏輯圖（圖2）。Torrance說：“不幸的是，它輸出的邏輯圖是一個尺寸大得驚人的平板式邏輯圖”，一般的芯片設計者幾乎無法看懂。不過他補充說，Chipworks有這樣一些工程師，“他們可以創建 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。”

　　對于Chipworks的客戶，Torrance說：“現在，我們送您ICWorks工具，有了這個工具，你可獲得所有圖像，你可獲得我們做的全部標注，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。”

　　系統級的顯微術

　　顯微鏡是工藝分析與邏輯圖提取的關鍵工具，用系統級的非破壞式拆解就可以作電子測試。系統工程師Darko Veselinovic解釋說：“在某些項目上，我們會將拆解工作與對一只仍運行的片芯的顯微術相結合，”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。被監測的片芯可能在其原來的PCB（印刷電路板）上，或在一個專門制造的測試夾具上。

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

　　不過，在其它情況下，控制器與汽車之間的機械鏈接也許會使這種方式不可行。Veselinovic表示，在這種情況下，“我們會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地方鉆個孔，這樣就可以把探頭放進去。然后，我們會嘗試將一切組裝起來，讓它正常工作，而盒子并不比原來大，我們會試圖把它放到原來的位置。”

　　當系統工作時，可以用外接測試測量設備監控信號的工作。Veselinovic稱，有時候，這種監控需要他的小組建立一個FPGA前端，用于將信號傳輸通過一個高噪環境，或長距離傳輸大量信息。他指出，Chipworks會充分利用原設計者提供的任何接入法，如一個JTAG端口。

　　反向工程的哲學

　　Torrance稱他曾有機會在一系列場合談論反向工程，包括本地IEEE分會的會議，他提到一個經常被談及的問題，“這合法嗎？”實際上答案是正面的。Torrance解釋說，在美國，《半導體芯片保護法案》對反向工程做了保護，允許該技術“用于遮罩產品或電路所包含技術的教學、分析或評估。”他說，日本、歐盟和其它管轄區域也存在著類似的法規。

　　Torrance說他還發現“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層，對它作實際的拍攝，看清一切。我想，很多設計人員可能認為他們對芯片作了封裝，沒有人能夠看到里面的內容，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，就會發現各種人都在申請一些試圖增加反向工程難度的制造技術專利，例如，看上去像過孔而并不做連接的結構。但實際情況是，我發現公司有史以來從未在實際芯片中看到這些，至少商用芯片中沒有。”

　　Torramce補充“偶爾我們會發現一個有金屬板的層，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計者試圖將電路隱藏起來，不想讓人看到，但這對我們根本沒有妨礙。”

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