微电路逆向工程：从拓扑恢复电路的方法与技术

### 微电路逆向工程：从拓扑恢复电路的方法与技术 #### 1. 逆向工程程序基础设计与功能 在微电路逆向工程的相关程序中，具备一些基础的设计元素，如比例尺、点网格、大光标等。用户可以在选择合适的比例尺后，使用打印机或绘图仪打印拓扑图。为了与其他拓扑设计系统进行通信，该程序还包含将拓扑从SOURCE格式转换为更常见的GDSII格式以及反向转换的实用工具调用功能。 #### 2. 从微电路拓扑恢复电路的挑战与方法概述 从分析芯片的拓扑中恢复提取电路是整个过程中最困难的阶段，拓扑 - 电路转换的软件支持是可靠高效实现此阶段的重要因素。恢复电路时，需要解决两个主要任务：电路元件的布置和电路的追踪（即导体的布置），其中元件布置是最重要且困难的任务，其自动化有助于最小化电路恢复所需的时间。 元件布置任务有两种解决方式： - **位图图像矢量化**：对位图图像进行分析，得到拓扑的矢量描述（矢量矩形），然后将其传输到专门的软件工具中，借助这些工具生成电路。但这种方式劳动强度大，因为需要绘制所有技术层，包括原始位图图像中不可见的层。 - **直接恢复电路**：直接得到可进一步传输到标准设计系统（CAD）的电路。 #### 3. 电路元件布置的软件支持与数据库构建 为了支持在位图图像上布置电路元件，需要创建专门的软件和图像元素拓扑图像的数据库（元件库）。数据库应包含单个元件（如晶体管、电阻器、电感器等）、逻辑元件（如与门、与非门、或门等）和功能块（如放大器、发生器等）。创建元件库时，需考虑以下要求： - 包含不仅能被计算设备（计算机、服务器）读取，而且便于开发工程师使用的信息。 - 数据库中的信息通常以位图形式呈现，但仅靠位图图像往往不够，还需为操作员提供辅助信息（拓扑的矢量图），以便识别拓扑元素的非明显特征。 - 要确保能单独查看位图图像及其矢量描述，并且图像可以任意旋转和缩放。 - 考虑到不同IC制造商使用看似等效但设计和技术方案独特的元件，应在库中包含同一元件的尽可能多的版本。 - 数据库应包含通过各种显微镜手段获取的拓扑元素以及使用非传统制备方法获得的元素图像。 #### 4. 数据库结构与元素识别要求 创建的数据库（元件库）应具备以下属性： - 拓扑元素图像清晰（高分辨率、无瑕疵）。 - 同一元素的实现选项数量最多。 - 可对单个元素进行更改（旋转、反射、缩放）。 - 将所有元素划分为逻辑组，便于操作员更有效地查看。 - 能够快速搜索单个元素或组。 - 提供关于拓扑元素的额外辅助信息。 - 可分别查看主要信息和辅助信息。 拓扑中每个单独位图元素的识别是通过将其与库元素进行比较自动完成的。识别基于库元素的矢量描述与所选位图元素的比较，这种比较方法对噪声具有最大抗性，错误数量最少，有助于显著降低数据分析的硬件成本。 操作员在创建数据库时输入元素的矢量描述，拓扑的矢量元素（特征矩形）信息包括其尺寸、在元素轮廓内的位置以及每个矩形的平均亮度。输入特征框时，需遵循以下要求： - 反映元素的唯一性，考虑仅在该类型元素中出现的特征。 - 仅在其区域内输入，不超出所表征拓扑层的边界。 - 每个拓扑层和区域使用不同的矢量颜色，例如，晶体管栅极用绿色矩形表征，第一金属化层用红色矩形表征，多晶硅层与第一金属化层之间的接触用蓝色矩形表征。 - 考虑拓扑元素与开关总线可能的重叠情况。 特征矩形表征的亮区对图像中最常见的噪声和失真（如导体穿过元素、划痕和制备缺陷）更具抗性。输入特征矩形系统是一个关键阶段，在输入时还需满足一些额外要求以最小化几何失真，如矩形应仅覆盖相应位图结构的中间区域，不重叠其边界，并且应尽量减少矩形的数量以减少处理时间。理论上，一组矩形应确保可靠识别特定类型的所有元素，并可靠地不识别所有其他元素。 #### 5. 传统元素输入方法的局限性 传统的将元素输入到位图图像坐标空间中的方法包括： - 在元素库中寻找合适的选项。 - 设置合适的方向，启动将元素轮廓输入或移动到位图图像上安装点的命令。 - 决定所选选项的适用性，并在成功时记录输入。 这种传统方法劳动强度大，对于复杂微电路几乎不可用，因为需要“手动”查看元素库中的数十甚至数百个变体，大致选择合适的变体和方向，并手动移动和设置电路到感兴趣的点。 #### 6. 自动化恢复电路的软件实现特点 为了提高效率，在恢复过程自动化的第一阶段，提出了以下方法： - **用户指示单点法**：用户只需在位图图像上指示第一个点，程序自动完成以下操作： - 选择合适的库变体和方向。 - 根据指示点附近位图图像的特征分析评估所选变体。 - 如果评估（识别）结果为正，则记录输入。 - 用户的任务包括输入标准元素的分类属性、识别当前片段整体轮廓的边界以及为识别子程序指示控制点。这种方式让用户解决形式化方面最困难的程序，而程序则承担识别和设置的大部分劳动密集型任务。为增加灵活性，用户可通过多种方式设置控制点。 - **设置元素轮廓左上角法**：用户设置元素轮廓的左上角，程序自动为识别库中的所有类型组织上述循环。如果成功识别该位置，程序将自动确定下一个左上角识别命令的坐标，并在设置了过渡模式时自动执行。操作员在元素布置中的作用仅在于指示沿一个移动轴的步数，之后识别过程停止。确定元素类型并固定其锚点后，程序转移到下一个锚点，下一个锚点的近似坐标计算为前一个锚点的坐标与前一个识别元素的尺寸之和。 - **基于设置尺寸矩形法**：用户设置限制分析位置的尺寸矩形，程序为识别库中具有合适尺寸的所有类型组织循环。成功时，后续操作与第一种方法相同；失败时，程序在整个