테라헤르츠파는 칩 내 트랜지스터 활동을 감지할 수 있게 한다
애드레이드 대학교 연구진이 반도체 테스트 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 발견을 했습니다. IEEE Spectrum에 보도된 바에 따르면, 이 연구진은 테라헤르츠(Terahertz) 방사선을 활용하여 칩의 트랜지스터 활동을 감지하는 방법을 개발했습니다.
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이 과정은 벡터 네트워크 분석기(VNA)라는 실험실 장비를 사용합니다. 이 장비는 "특정 주파수와 위상을 가진" 마이크로파 신호를 생성합니다. VNA 주파수 확장기(frequency extender)는 이 마이크로파 신호를 테라헤르츠 파동으로 변환한 뒤, 집광 렌즈(focusing lens)를 통해 마이크로칩에 조사합니다.
테스트를 수행하려면 칩이 실제로 작동하고 임무를 수행하는 상태여야 합니다. 이 과정에서 트랜지스터가 켜지고 꺼질 때마다 발생하는 변화는 테라헤르츠 신호에 반사되어 VNA 확장기에 위치한 수신기로 돌아옵니다. 이후, 이 신호는 마이크로파로 "다운컨버트(down-converted)"되어, 하모다인 사각 수신기(homodyne quadrature receiver)를 사용하여 원래 신호 대비 진폭과 위상의 미세한 차이를 감지함으로써 비교됩니다.
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연구진 중 한 명인 Withawat Withayachumnankul은 해당 장비가 원래 마이크로파 주파수 비교용으로만 설계되었기 때문에, 자신의 팀이 이 장비를 테라헤르츠 영역에서 작동시키기 위해 수신기(receiver)를 수정(해킹)해야 했음을 밝혀냈습니다. 특히, 하모다인 검출기(homodyne detector)의 사용이 매우 중요했는데, 이는 두 주파수 간의 미세한 차이를 감지할 수 있는 유일한 장치라고 알려졌기 때문입니다. 테라헤르츠 신호가 측정 대상 트랜지스터보다 물리적으로 크기 때문에, 하모다인 검출기 없이는 반사되는 신호의 미세한 변화를 감지하기가 어렵습니다. 또한, VNA의 발진기(oscillator)에서 발생하는 노이즈가 신호 변화의 미묘한 차이를 쉽게 가릴 수 있다는 보고도 있습니다.
이 신기술의 가장 흥미로운 점은 프로세스가 작동하는 내부 상태를 들여다볼 수 있다는 점입니다. 이는 다른 어떤 장비를 통해서도 어렵다고 보고되며, 기술자들이 프로세서를 진단하고 테스트할 수 있는 새로운 가능성을 열어주고 있습니다.
그러나 이 기술이 주류 시장에 적용되기 위해서는 해결해야 할 과제들이 남아 있습니다. 특히 3D 스택된 칩렛(3D stacked chiplets)과 같이 여러 계층의 부품이 쌓여 있는 복잡한 CPU를 테라헤르츠 방사선으로 측정하는 데는 어려움이 따를 수 있다고 보고되었습니다. 구체적으로, "상층부가 불투명할" 경우 칩의 어느 계층에서 측정하고 있는지 방사선이 감지하기 어렵습니다. 이를 극복하기 위해 조밀하게 배치된 칩을 정확하게 테스트할 수 있도록 VNA의 감도를 높이는 기술들이 연구되고 있습니다.
이 기술의 또 다른 문제점은 공격자가 실행 중인 CPU를 대상으로 데이터를 훔치는 잠재적인 보안 위협입니다. 이는 기술이 완전히 성숙된 이후에 발생할 가능성이 높지만, 보안 업계가 궁극적으로 대비책을 마련해야 할 사안입니다. 이 공격이 더욱 위험한 이유는 CPU가 데이터를 처리하기 전에 반드시 복호화 과정을 거쳐야 하기 때문에, 송출되는 암호화 표준만으로는 이를 방어하기 어렵기 때문입니다.
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