Đột phá mới: Dùng sóng terahertz kiểm tra CPU không cần tháo chip, theo dõi transistor theo thời gian thực
Công nghệ kiểm tra CPU không xâm lấn ra đời, cho phép “nhìn xuyên” hoạt động transistor theo thời gian thực
Trang công nghệ IEEE Spectrum cho biết, nhóm nghiên cứu từ Đại học Adelaide đã đạt được bước đột phá trong lĩnh vực kiểm tra bán dẫn, khi phát hiện có thể sử dụng bức xạ terahertz để dò hoạt động của các transistor bên trong chip.
Lưu ý: Bức xạ terahertz (Terahertz Radiation) là sóng điện từ có tần số từ 0,1–10 THz (bước sóng 30–3000 micromet), nằm giữa vi sóng và tia hồng ngoại. Sóng terahertz có khả năng xuyên qua các vật liệu không phân cực, không gây ion hóa (độ an toàn cao) và rất nhạy với các cấu trúc cực nhỏ.
Trong kiểm tra chip, sóng terahertz có thể xuyên qua lớp đóng gói để dò hoạt động của transistor bên trong. Tuy nhiên, do bước sóng của nó (khoảng 300 micromet) lớn hơn rất nhiều so với kích thước transistor (cấp nanomet), nên việc phát hiện tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn.
Theo báo cáo, công nghệ này cho phép các kỹ sư lần đầu tiên có thể “nhìn xuyên” trạng thái hoạt động bên trong của bộ xử lý khi nó đang chạy, mà không cần tháo rời hay phá hủy chip.
Quá trình kiểm tra dựa vào thiết bị phòng thí nghiệm gọi là máy phân tích mạng vectơ (VNA). Thiết bị này tạo ra tín hiệu vi sóng với tần số và pha xác định, sau đó thông qua bộ mở rộng tần số chuyển đổi thành sóng terahertz, rồi được hội tụ bằng thấu kính và chiếu lên bề mặt vi mạch.
Trong quá trình thử nghiệm, con chip phải được cấp điện và hoạt động. Khi các transistor bên trong thực hiện chuyển mạch, chúng sẽ phản xạ tín hiệu terahertz. Bộ thu sẽ ghi lại các tín hiệu phản xạ này, sau đó chuyển đổi ngược về vi sóng và phân tích những thay đổi rất nhỏ về biên độ và pha để tái tạo trạng thái của transistor.
Thành viên nhóm nghiên cứu, Withawat Withayachumnankul cho biết, họ buộc phải “hack” và cải tiến bộ thu để có thể hoạt động trong dải tần terahertz.
Thiết bị ban đầu chỉ được thiết kế để so sánh tín hiệu ở dải vi sóng, trong khi kích thước vật lý của sóng terahertz lại lớn hơn transistor cần đo, khiến việc phát hiện thay đổi trong tín hiệu phản xạ trở nên cực kỳ khó.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã sử dụng bộ thu trực giao sai khác bằng không (zero-difference quadrature receiver). Đây hiện là thiết bị duy nhất có thể phát hiện những khác biệt rất nhỏ giữa hai tần số, đồng thời giảm thiểu nhiễu từ bộ dao động.
Giá trị cốt lõi của công nghệ này nằm ở khả năng chẩn đoán không xâm lấn. Các công cụ kiểm tra truyền thống không thể quan sát trạng thái bên trong khi chip đang hoạt động, trong khi phương pháp terahertz đã lấp đầy khoảng trống này, mở ra hướng đi mới cho việc kiểm tra và chẩn đoán lỗi bộ xử lý. Kỹ sư có thể theo dõi hành vi đóng/ngắt của transistor theo thời gian thực mà không làm hỏng chip.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận công nghệ này vẫn chưa hoàn thiện. Thách thức lớn nhất hiện nay là các chip xếp chồng nhiều lớp. Với những bộ xử lý phức tạp sử dụng thiết kế chiplet 3D, bức xạ terahertz khó xuyên qua các lớp trên không trong suốt, khiến việc xác định chính xác tín hiệu đến từ lớp nào trở nên rất khó khăn.
Chi tiết nghiên cứu các bạn tham khảo thêm tại IEEE
Trang công nghệ IEEE Spectrum cho biết, nhóm nghiên cứu từ Đại học Adelaide đã đạt được bước đột phá trong lĩnh vực kiểm tra bán dẫn, khi phát hiện có thể sử dụng bức xạ terahertz để dò hoạt động của các transistor bên trong chip.
Lưu ý: Bức xạ terahertz (Terahertz Radiation) là sóng điện từ có tần số từ 0,1–10 THz (bước sóng 30–3000 micromet), nằm giữa vi sóng và tia hồng ngoại. Sóng terahertz có khả năng xuyên qua các vật liệu không phân cực, không gây ion hóa (độ an toàn cao) và rất nhạy với các cấu trúc cực nhỏ.
Trong kiểm tra chip, sóng terahertz có thể xuyên qua lớp đóng gói để dò hoạt động của transistor bên trong. Tuy nhiên, do bước sóng của nó (khoảng 300 micromet) lớn hơn rất nhiều so với kích thước transistor (cấp nanomet), nên việc phát hiện tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn.
Theo báo cáo, công nghệ này cho phép các kỹ sư lần đầu tiên có thể “nhìn xuyên” trạng thái hoạt động bên trong của bộ xử lý khi nó đang chạy, mà không cần tháo rời hay phá hủy chip.
Quá trình kiểm tra dựa vào thiết bị phòng thí nghiệm gọi là máy phân tích mạng vectơ (VNA). Thiết bị này tạo ra tín hiệu vi sóng với tần số và pha xác định, sau đó thông qua bộ mở rộng tần số chuyển đổi thành sóng terahertz, rồi được hội tụ bằng thấu kính và chiếu lên bề mặt vi mạch.
Thành viên nhóm nghiên cứu, Withawat Withayachumnankul cho biết, họ buộc phải “hack” và cải tiến bộ thu để có thể hoạt động trong dải tần terahertz.
Thiết bị ban đầu chỉ được thiết kế để so sánh tín hiệu ở dải vi sóng, trong khi kích thước vật lý của sóng terahertz lại lớn hơn transistor cần đo, khiến việc phát hiện thay đổi trong tín hiệu phản xạ trở nên cực kỳ khó.
Giá trị cốt lõi của công nghệ này nằm ở khả năng chẩn đoán không xâm lấn. Các công cụ kiểm tra truyền thống không thể quan sát trạng thái bên trong khi chip đang hoạt động, trong khi phương pháp terahertz đã lấp đầy khoảng trống này, mở ra hướng đi mới cho việc kiểm tra và chẩn đoán lỗi bộ xử lý. Kỹ sư có thể theo dõi hành vi đóng/ngắt của transistor theo thời gian thực mà không làm hỏng chip.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận công nghệ này vẫn chưa hoàn thiện. Thách thức lớn nhất hiện nay là các chip xếp chồng nhiều lớp. Với những bộ xử lý phức tạp sử dụng thiết kế chiplet 3D, bức xạ terahertz khó xuyên qua các lớp trên không trong suốt, khiến việc xác định chính xác tín hiệu đến từ lớp nào trở nên rất khó khăn.
Chi tiết nghiên cứu các bạn tham khảo thêm tại IEEE