清華新聞網(wǎng)9月18日電 一體化存儲(chǔ)設(shè)備（MSDs），如micro-SD卡、USB閃存驅(qū)動(dòng)器和多媒體MMC卡等，因其小巧、高性能、可靠性和易用性，廣泛用于各類(lèi)電子設(shè)備和系統(tǒng)中。由于損壞、故障或故意刪除，常常導(dǎo)致MSDs中一些關(guān)鍵或敏感數(shù)據(jù)丟失。因此，如何從MSDs中恢復(fù)出這些數(shù)據(jù)，成為犯罪調(diào)查、法庭鑒定和商業(yè)領(lǐng)域的重大需求。但是，從一體化存儲(chǔ)設(shè)備的芯片中恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)一直是法庭科學(xué)和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)領(lǐng)域面臨的難題和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常需要人工去除絕緣層以訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備的印刷電路板（PCB），這種方法不僅耗時(shí)，還可能損傷關(guān)鍵存儲(chǔ)部件，對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)產(chǎn)生不利影響。此外，雖然有研究者提出使用micro-CT成像作為一種檢測(cè)方法，但該方法成像時(shí)間長(zhǎng)、具有輻射損傷，更重要的是X射線(xiàn)可能在存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中引入不可修復(fù)的比特錯(cuò)誤。
為了解決上述問(wèn)題，近日，清華大學(xué)物理系薛平課題組和公安部鑒定中心張寧科研團(tuán)隊(duì)等合作，成功研發(fā)了一種一體化存儲(chǔ)芯片手術(shù)機(jī)器人技術(shù)，巧妙融合了機(jī)器人智能、光學(xué)相干層析（OCT）和激光刻蝕消融（laser ablation）等技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)存儲(chǔ)芯片的“診療一體化”。該技術(shù)有望替代傳統(tǒng)電子數(shù)據(jù)取證方法，極大提升了電子數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的效率和智能化、自動(dòng)化水平；同時(shí)還有望遷移到許多其他領(lǐng)域，如臨床手術(shù)、微電子加工、文物修復(fù)等。相關(guān)研究成果近日以“機(jī)器人光學(xué)相干層析成像導(dǎo)航下的一體化存儲(chǔ)芯片的檢測(cè)和微創(chuàng)手術(shù)”（Robotic-OCT guided inspection and microsurgery of monolithic storage devices）為題在線(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communication）上。
圖1.連續(xù)掃描Robotic-OCT系統(tǒng)的示意圖。（a）Robotic-OCT系統(tǒng)的照片。（b）Robotic-OCT掃描儀的示意圖。（c）機(jī)械臂的掃描軌跡以及兩個(gè)相鄰的連續(xù)掃描區(qū)域。（d）兩個(gè)相鄰區(qū)域的OCTen face圖像。（e）覆蓋整個(gè)micro-SD卡區(qū)域的融合圖像
OCT通過(guò)光學(xué)相干原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的高分辨三維快速層析成像，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多重要的應(yīng)用。合作團(tuán)隊(duì)將這類(lèi)高分辨斷層成像的光學(xué)技術(shù)推廣到電子取證領(lǐng)域。相比于有輻射的X射線(xiàn)成像技術(shù)，OCT使用低功率的近紅外光，避免了對(duì)操作員、設(shè)備或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的潛在危害。同時(shí)，由于傳統(tǒng)OCT系統(tǒng)受限于二維振鏡的掃描，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍和高分辨率成像，加之MSD結(jié)構(gòu)內(nèi)的高反射表面可能導(dǎo)致OCT信號(hào)的飽和偽影，從而妨礙對(duì)底層結(jié)構(gòu)的可視化，因此，合作團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用機(jī)器人智能技術(shù)，研制出六軸高精度的OCT成像系統(tǒng)（如圖1所示）；并提出一種連續(xù)掃描策略，利用機(jī)器人的智能掃描來(lái)替代傳統(tǒng)OCT掃描成像中的振鏡慢軸；通過(guò)自動(dòng)優(yōu)化掃描角度和持續(xù)掃描，實(shí)現(xiàn)了對(duì)micro-SD卡的高速、高分辨率的三維成像檢測(cè)（如圖2所示）。該方法相比于傳統(tǒng)停止-凝視掃描模式，速度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。利用上述的新型Robotic-OCT系統(tǒng)，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)不同類(lèi)型的micro-SD卡進(jìn)行的三維成像，實(shí)現(xiàn)了不需要去除表面絕緣漆情況下的電路逆向工程、通孔識(shí)別、管腳定位等功能，并且可以診斷不同損壞類(lèi)型的micro-SD卡，自動(dòng)分析劃痕深度、燒傷程度和折痕損壞區(qū)域等。
圖2.micro-SD卡多層結(jié)構(gòu)的層析分析。3D OCT圖像（a）從上到下的視角和（b）橫截面視圖。（c）micro-SD卡多層結(jié)構(gòu)的示意圖。（d）三個(gè)不同深度的OCT en face圖像。頂部：表面（深度=0微米）。中部：PCB引腳側(cè)（深度=23微米）。底部：PCB芯片側(cè)（深度=273微米）。（e）在（d）中標(biāo)記為黃色矩形的兩個(gè)不同位置P1和P2的平均一線(xiàn)掃描信號(hào)
圖3.micro-SD卡的Robotic-OCT引導(dǎo)激光消融微創(chuàng)手術(shù)。（a）Card 8的顯微圖像及成像區(qū)域（紅框）。（b）圖（a）中紅框所示區(qū)域的OCT en face圖像。（c）子圖到全圖配準(zhǔn)的結(jié)果。（d）技術(shù)引腳的識(shí)別和測(cè)量。（e）激光消融微創(chuàng)手術(shù)后的微型SD卡，只暴露了相關(guān)的引腳。（f）通過(guò)將暴露的引腳連接到數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)，直接從內(nèi)部閃存中訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)
此外，受到醫(yī)療領(lǐng)域診療一體化理念的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)將激光消融設(shè)備光學(xué)共路集成于Robotic-OCT系統(tǒng)中，構(gòu)成一體化存儲(chǔ)芯片手術(shù)機(jī)器人。在OCT三維圖像的引導(dǎo)下，有選擇性地精準(zhǔn)移除芯片絕緣層的目標(biāo)區(qū)域，僅暴露相關(guān)的數(shù)據(jù)恢復(fù)管腳（如圖3所示），最大限度地減少了對(duì)設(shè)備的損害，并簡(jiǎn)化了焊接過(guò)程，大大提高了數(shù)據(jù)恢復(fù)效率?！蹲匀弧ねㄓ崱返膶徃鍖?zhuān)家認(rèn)為，該文章提出了一種創(chuàng)新性的系統(tǒng)和方法，并展示了該系統(tǒng)在快速成像、缺陷檢測(cè)、引腳識(shí)別和針對(duì)目標(biāo)區(qū)域的激光消融方面的能力，該技術(shù)有望顛覆傳統(tǒng)電子數(shù)據(jù)取證方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)效率前所未有的提升。
光學(xué)成像與機(jī)器人智能技術(shù)的結(jié)合不僅為數(shù)據(jù)恢復(fù)提供了更有效、更安全的方式，在其他各種不同的領(lǐng)域中也有很好的應(yīng)用前景。例如，在臨床領(lǐng)域，新型Robotic-OCT引導(dǎo)的激光消融技術(shù)可以在手術(shù)過(guò)程中精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地識(shí)別腫瘤邊界，外科醫(yī)生可以準(zhǔn)確地定位并移除癌癥組織，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)】到M織的損傷降至最低。本研究將該技術(shù)進(jìn)一步拓展，未來(lái)在電子物證、失效分析、材料測(cè)試和質(zhì)量控制等更廣泛領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用價(jià)值。值得一提的是，在微電子領(lǐng)域，這種新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維、快速、精準(zhǔn)、選擇性地去除芯片中的表層材料，繼而提升優(yōu)化芯片電路性能，有望在復(fù)雜集成電路的制造中發(fā)揮重要作用。
清華大學(xué)物理系2019級(jí)博士生何濱、實(shí)習(xí)生張煜欣（現(xiàn)香港大學(xué)博士生）和公安部鑒定中心趙露為該文章的共同第一作者。薛平與張寧為該論文的共同通訊作者。該研究得到北京市科技新星計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41498-x
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
