Novo projeto de transistor disfarça hardware de chip de computador chave para proteção contra hackers

Um hacker pode reproduzir um circuito em um chip descobrindo o que os principais transistores estão fazendo em um circuito – mas não se o “tipo” do transistor for indetectável. Os engenheiros da Universidade de Purdue demonstraram uma maneira de disfarçar qual transistor é qual, construindo-os a partir de um material semelhante a uma folha chamado fósforo preto.

Os chips de engenharia reversa são uma prática comum – tanto para hackers quanto para empresas que investigam violações de propriedade intelectual. Os pesquisadores também estão desenvolvendo técnicas de imagem de raios-x que não exigiriam realmente tocar em um chip para fazer engenharia reversa.

A abordagem que os pesquisadores da Purdue demonstraram aumentaria a segurança em um nível mais fundamental. A forma como os fabricantes de chips optam por tornar esse design de transistor compatível com seus processos determinaria a disponibilidade desse nível de segurança.

Um chip calcula usando milhões de transistores em um circuito. Quando uma tensão é aplicada, dois tipos distintos de transistores – um tipo N e um tipo P – realizam um cálculo. A replicação do chip começaria com a identificação desses transistores.

“Mas porque eles são distintamente diferentes, as ferramentas certas podem identificá-los claramente – permitindo que você volte, descubra o que cada componente individual do circuito está fazendo e então reproduza o chip”, disse o professor Joerg Appenzeller. Portanto, se esses dois tipos de transistor parecessem idênticos após a inspeção, um hacker não seria capaz de reproduzir um chip por engenharia reversa do circuito.

A equipe de Appenzeller mostrou em seu estudo que camuflar os transistores fabricando-os a partir de um material como o fósforo preto torna impossível saber qual transistor é qual. Quando uma tensão alterna o tipo dos transistores, eles parecem exatamente iguais para um hacker.

Embora a camuflagem já seja uma medida de segurança usada pelos fabricantes de chips, ela normalmente é feita no nível do circuito e não tenta obscurecer a funcionalidade de transistores individuais – deixando o chip potencialmente vulnerável a técnicas de hacking de engenharia reversa com as ferramentas certas.

O método de camuflagem que a equipe de Appenzeller demonstrou seria construir uma chave de segurança nos transistores. Essa abordagem faria os transistores do tipo N e P parecerem iguais em um nível fundamental. Você não poderia realmente distingui-los sem saber a chave. Nem mesmo o fabricante do chip seria capaz de extrair essa chave depois que o chip fosse produzido. “Você poderia roubar o chip, mas não teria a chave”, disse Appenzeller.

As técnicas atuais de camuflagem exigem mais transistores para esconder o que está acontecendo no circuito. Mas esconder o tipo de transistor usando um material como o fósforo preto – um material tão fino quanto um átomo – requer menos transistores, ocupando menos espaço e energia, além de criar um disfarce melhor, disseram os pesquisadores.

A ideia de obscurecer o tipo de transistor para proteger a propriedade intelectual do chip veio originalmente de uma teoria da professora da Universidade de Notre Dame, Sharon Hu, e seus colaboradores. Normalmente, o que fornece transistores do tipo N e P é como eles transportam uma corrente. Os transistores do tipo N transportam uma corrente transportando elétrons, enquanto os transistores do tipo P usam a ausência de elétrons, chamados de buracos.

O fósforo preto é tão fino, a equipe percebeu, que permitiria o transporte de elétrons e buracos em um nível de corrente semelhante, fazendo com que os dois tipos de transistores parecessem mais fundamentalmente os mesmos. Foi quando eles demonstraram experimentalmente as habilidades de camuflagem dos transistores à base de fósforo preto. Esses transistores também são conhecidos por operar nas baixas tensões de um chip de computador à temperatura ambiente devido à sua zona morta menor para transporte de elétrons, descrita como um pequeno “gap de banda”.

Mas, apesar das vantagens do fósforo preto, a indústria de fabricação de chips provavelmente usaria um material diferente para obter esse efeito de camuflagem. “A indústria está começando a considerar materiais 2D ultrafinos porque permitiriam que mais transistores se encaixassem em um chip, tornando-os mais poderosos. Embora o fósforo preto seja um pouco volátil demais para ser compatível com as técnicas de processamento atuais, mostrar experimentalmente como um material 2D pode funcionar é um passo para descobrir como implementar essa medida de segurança”, disse Appenzeller.