CC BY
116
Оборудование для изменения состояния полупроводниковых носителей информации
Рассмотрены эффективные способы воздействия на полупроводниковые электронные носители информации, для стирания и для анализа методов контроля состояния каждой ячейки памяти, после стирания информации. Определен наиболее перспективный комплексный метод уничтожения информации, обеспечивающий одновременную реализацию способов воздействия. Разработаны и изготовлены образцы приборов для уничтожения информации с носителей на основе микросхем с энергонезависимой памятью, в которых предложены методы косвенной оценки по основным параметрам с высоким быстродействием в реальном масштабе времени в малогабаритном переносном устройстве экстренного уничтожения информации с полупроводниковых носителей. Для проверки эффективности стирания информации методом косвенного контроля создан макет изделия стирания информации с полупроводниковых носителей, состоящий из трех каналов, обеспечивающих комбинированное уничтожение информации.Проведены теоретические и экспериментальные исследования и поканальные испытания составных частей макета. Полученные в ходе проведения испытаний результаты соответствуют расчетным и свидетельствуют о полноте косвенного контроля и правильной работе устройства уничтожения информации с полупроводниковых носителей.
Ключевые слова: Уничтожитель информации, косвенный контроль, полупроводниковые носители информации, флеш-носители, устройство преобразования напряжения, устройство коррекции заряда; устройство накопления энергии; формирователь импульсов управления.
Хлопов Б.В.,
ФГУП "ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга", начальник отдела, доцент, к.т.н., [email protected]
Митягин А.Ю.,
Фрязинский филиал Института Радиотехники и Электроники им. В.А Котельникова РАН, главный научный сотрудник, дф.-м.н., профессор, [email protected]
Фесенко М.В.,
ФГУП "ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга", заместитель начальника отдела, к.т. н.
Введение
Полупроводниковые энергонезависимые носители информации являются одними из наиболее востребованных в настоящее время. При эксплуатации на полупроводниковые носители информации воздействуют различные внешние факторы, которые влияют на состояние информационного слоя носителей, а соответственно при попадании носителя в условия, когда непредвиденное внешнее воздействие может повредить информацию.
Это может произойти, например, при работе электронного устройства с носителями в агрессивных средах, при мощных излучениях, например в космосе или при целенаправленном уничтожении информации с носителя, что чрезвычайно актуально, в связи с возможностью несанкционированного доступа к ней. Важность данной проблемы возрастает для случаев специальных документов, уничтожение которых должно быть гарантировано и максимально оперативно.
Полупроводниковые носители имеют одну особенность, заключающуюся в отсутствии
прямых методов контроля, состояния каждой ячейки памяти после стирания информации.
Информация, содержащаяся в полупроводниковом устройстве, обнаруживается путем приложения напряжения к затвору транзистора, значение которого лежит между двумя возможными пороговыми значениями напряжений. В одном состоянии транзистор проводит ток, в то время как в другом не проводит, заперт. В устройстве хранения заряда с изолированным затвором транзистора осуществляется двумя способами. Один основан на хранении заряда в проводящем или полупроводящем слое, окруженном диэлектриком, обычно окисью кремния [1] с плавающим затвором [2, 3]. Другой тип приборов, основан на хранении заряда на дискретных центрах (ловушках) соответствующего диэлектрического слоя. Эти устройства обычно называют приборами захвата [4, 5].
Для обеспечения контроля состояния каждой ячейки и доступа к флэш-памяти необходим программно-аппаратный комплекс, контроллер — посредник между хостом и устройствами на шине. Программные функции (перечисление устройств и их конфигурирование, управление энергопотреблением, процессами передачи, устройствами на шине и самой шиной) возложены на операционную систему.
Наиболее распространенной операционной системой, в которой реализована поддержка доступа к флэш-памяти в полном объеме, является Windows 98 Second Edition.
Недостатком этого прямого метода контроля стирания записи с устройств энергонезависимой памяти, флэш-памяти, является низкая энергетическая эффективность. Для стирания информации необходимо иметь программноаппаратный комплекс, операционную систему,
определенный тип доступа к памяти, который определяет относительно большое время стирания информации, возможность восстановления информации при использовании программно-аппаратных средств ПЭВМ и возможность несанкционированного доступа к информации.
1. Эффективные способы воздействия
на полупроводниковые электронные носители информации
В процессе многочисленных исследований установлено, что из всех возможных способов воздействий наиболее эффективными способами воздействия на полупроводниковые электронные носители информации вы1делены1:
— воздействия на носитель информации электромагнитным полем;
— воздействие магнитным импульсом высокой напряженности;
— воздействие коротким импульсом СВЧ поля;
— кратковременное воздействие электрическим импульсом высокого напряжения на интерфейсные выводы устройства хранения информации.
При разработке и изготовлении устройств экстренного уничтожения информации на микросхемах с неоднородным полупроводниковым носителем с энергонезависимой памятью использовали комбинированный вариант, совмещающий в себе два или несколько методов воздействия.
В результате проведенных исследований, подробного анализа различных конструктивных и энергетических возможностей составных частей устройства экстренного уничтожения информации (рис. 1), обеспечивающих созда-
Рис. 1. Общий вид прибора: 1 — Кейс; 2 — устройство подключения флеш-носителя; 3 — корпус прибора; 4 — полеобразующая система; 5 — кабель питания для подключения к сети 220 В; 6 — кабель для подключения к бортовому источнику питания 12/24 В
ние электромагнитного поля и воздействующих факторов с характеристиками, гарантирующими экстренное уничтожение записанной информации на полупроводниковом носителе информации предложены методы косвенной оценки.
Оценка проведена по электронным, электрическим, частотным и конструктивным параметрам так, как с высоким быстродействием в реальном масштабе времени в малогабаритном переносном устройстве экстренного уничтожения информации с полупроводниковых носителей этим методом эффективный контроль возможно реализовать с меньшими энергетическими и экономическими потерями и проще конструктивно чем прямым измерением основных контролируемых параметров системой встроенного контроля.
2. Приборы для уничтожения информации с носителей на основе микросхем с энергонезависимой памятью
В разработанных и созданных опыггных образцах приборов для экстренного уничтожения информации на носителях информации с энергонезависимой памятью по теме "Поиск технических решений и формирование тактико-технических требований к средствам экстренного стирания (уничтожения) информации с электронных носителей, основанных на магнитных, магнитооптических, оптических и иных физических принципах" на этапе
'Теоретические и экспериментальные исследования возможностей существующих методов уничтожения, считывания и восстановления информации на электронных носителях" использовали как индивидуальные так и комбинированные способы, совмешрюшие в себе методы воздействия магнитными и короткими электромагнитными импульсами с другими эффективными методами.
В устройстве стирания [6] реализован способ стирания записанной на микросхеме с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью, состоящий в том, что на микросхему и на управляющий затвор на время не менее 1,5мс подают номинальные напряжения питания и в проводниках микросхемы, размещенных на ее подложке, возбуждают токи Фуко интенсивностью не менее 60 мА с помощью облучения проводников микросхемы двумя ортогональными переменными синусоидальными магнитными полями под углами с разными значениями.
В приборе [7] реализован способ при котором на полупроводниковый носитель через шину иБВ воздействуют сформированными короткими импульсами с определенным алгоритмом и количеством циклов, а по окончании ге-
нерации импульсов воздействуют импульсным током значением 2,0 А, образованным за счет разряда накопленного напряжения до 400В на накопителях энергии.
Стирание информации в полости полеобразующей системы устройств [8,9] осуществляется путем воздействия суммарным импульсным магнитным полем образованным магнитными полями с векторами напряженности направленными под различными углами (а,Ь,$).
Техническая сущность устройства стирания информации с полупроводниковых носителей [10] заключается в подаче на микросхему на управляющий затвор напряжения и в возбуждении в ее проводниках токов Фуко с одновременным воздействием энергией тепла, излучаемой отражателем. Учитывая, что в разработанных и созданы опытных образцах приборов для экстренного уничтожения информации на носителях с энергонезависимой памятью используются в основном комбинированные способы уничтожения информации выбор остановлен на косвенных методах контроля как наиболее экономичных и обеспечивающих необходимую точность.
3. Описание компоновки исследуемого изделия экстренного стирания информации с электронных полупроводниковых носителей информации
Изделие представляет собой конструктивно законченное устройство, в котором предусмот-
рено размещение флеш-накопителей различного типа В конструкции изделия размешены! следующие модули и элементы!: полеобразующая система; накопитель энергии; вторичный источник питания; устройства управления и обеспечения функционирования изделия; встроенный контроль (ВСК) работоспособности изделия; генератор коротких импульсов; устройство обеспечения теплового режима; устройство заряда аккумулятора; аккумулятор; ЗИП [11].
Для проверки принятого решения провести оценку стирания информации методом косвенного контроля. был создан макет изделия стирания информации с полупроводниковых носителей. Макет состоит из трех каналов, обеспечивающих комплексное уничтожение информации. В схеме макета отсутствуют блоки, некритичные для процесса уничтожения информации (аккумулятор, устройство заряда аккумулятора), а также заменяемые ручной регулировкой и лабораторными приборами (датчик тока, схема автоподстройки частоты). Кроме того, макет отличается упрошенной конструкцией в целях возможности изготовления без применения специального оборудования. Устройство разделено на несколько печатных плат: источник питания; фильтр; задающий генератор и схема согласования; генератор коротких импульсов; схема управления; система встроенного контроля.
Остальные элементы соединены объемным монтажом. Макет располагается в алюминие-
С — ■/
, ■ .ä ja
г* о НІ
. ! * ■.. ‘-QJ аж
В - “ 1 * î
у. S ifbMgSsj”
Рис. 4. Генератор коротких импульсов
вом корпусе. В макете имеются: окно загрузки носителя информации, элементы управления и кабель питания. На переднюю панель вынесены элементы управления: выключатель питания; кнопка запуска, светодиод индикации питания, светодиод индикации готовности, светодиод встроенной системы контроля.
На рисунке 2 показан вторичный источник питания. Большая часть элементов располагается на печатной плате. Фильтр источника питания расположен на отдельной плате. Транзисторы установлены на радиаторы. Для улучшения теплопроводности используется паста КПТ 8.
Задающий генератор, схема согласования, коммутатор и фильтр находятся на минимальном расстоянии друг от друга для уменьшения паразитной индуктивности соединяющих проводов (рис.3). Задающий генератор и схема согласования расположены на печатной плате. Коммутатор состоит из полумоста на транзисторах MOSFET и блока конденсаторов. Также как в источнике питания, транзисторы установлены на радиаторы, для улучшения теплопроводности используется паста КПТ 8. Фильтр закреплен на основании.
Генератор коротких импульсов показан на рис. 4. Все элементы расположены на печатной плате. Используется поверхностный монтаж. Выходной сигнал поступает на облучатель по коаксиальному кабелю.
4. Результаты испытаний составных частей макета
Так как используются лабораторные источники питания. Это необходимо учитывать при анализе Целью испытаний макета является проверка расчетов и отработка схемотехнических решений.
Используемые приборы и оборудование: осциллограф Tektronix TDS 2022B; осциллограф TRIM TMR 8120; токосъемник измерительный ТИ2-3; мультиметр APPA 205; лабораторный источник питания Mastech HY3020.
Напряжение питания при испытаниях составляло 90 В, что меньше номинального, результатов измерения.
Испытание канала воздействия на носитель информации электромагнитным полем с частотой400..500кГц.
Поскольку создаваемое электромагнитное поле сложно измерить непосредственно вследствие наведения мощных индукционных токов и сильного нагрева проводящих элементов внутри полеобразующей системы, используется косвенный метод измерения. Оцениваемым параметром являенся ток в полеобразующей системе, расчетное значение которого составило 85 А.
Для измерений используется токосъемник ТИ2-3, охватывающий подводящий провод полеобразующей системы. Напряжение, наводимое в токосъемнике, измеряется осциллографом TDS 2022B. Поскольку полеобразующая система представляет собой резонансный контур, требуется подстройка частоты генератора для достижения максимальной амплитуды тока. Также вследствие резонанса ток через полеоб-разуюшую систему является синусоидальным. Форма тока показана на рисунке 6.
При напряжении питания 90 В получены следующие результаты измерений частоты и напряжения сигнала, снимаемого с токосъемника: f = 422 кГц, U = 214 В. Полученная с помощью осциллографа амплитуда напряжения пересчитывается в ток, протекающий в полеобразующей системе.
Напряжение в децибелах относительно 1 мкВ рассчитывается по формуле:
/гг Л
Uо = 20 • lg
-6
(1)
где и — напряжение, измеренное осциллографом.
Тогда ток в децибелах относительно 1 мкА:
10 = и0 + К, (2)
где К — коэффициент калибровки токосъемника, значения которого берутся из свидетельства аттестации токосъемника.
Для частоты 420 кГц К ~ 1,5.
Абсолютное значение тока в полеобразующей системе:
О Tfig'd___________________М Pos: 0.0005
Рис. 5. Полеобразующая система (рисунок справа — рабочая камера рассчитанная под SSD)
Рис. 6. Осциллограмма тока в полеобразующей системе
<
і....: ...і....:....; . .
2.890ЦС
К1 Амплитуда 856. ОтВ
К1 Размах 896.2тВ
К1 Частота 101.9кГц
Г 2.00ЦС А К1 I 720тВ
Рис. 7. График заряда накопителя энергии
А
I = Ю2° • 10-6
Полученный в ходе расчетов ток составил 89,9 А
Испытание канала уничтожения информации импульсом высокого напряжения.
Поскольку длительность импульса сильно зависит от уничтожаемого носителя информации, контролю подвергается напряжение на накопителе энергии, непосредственно связанное с величиной запасенной энергии по формуле:
С • и2
II«» -20.0000ПС
Рис. 8. осциллограмма запускающих импульсов
4 фев 2010 13:13:33
Таблица 1
W = ■
2
(3)
Моделирование заряда накопителя энергии проводилось с помощью программы М1сго-Сар 9. График заряда показан на рис. 7.
По графику видно, что накопитель при энергии заряжается до напряжения 89 В за 7 с и далее это напряжение практически не изменяется. При проведении испытаний было измерено напряжение на накопителе энергии через 20 с после включения питания. Измеренное напряжение составило 87,8 В.
Испытание канала уничтожения информации коротким импульсом СВЧ поля.
При испытаниях были сняты осциллограммы сигнала в контрольных точках осциллографом TDS2022B для оценки формы импульсов, а также измерена амплитуда выходного импульса. Осциллограммы сигналов в контрольных точках показаны на рис. 8-13. На вход генератора подаются запускающие импульсы с частотой 100 кГц и амплитудой около 1 В. Осциллограмма сигнала показана на рис. 8.
Измеренные параметры запускающих импульсов приведены в табл. 1 .Для оценки правильности работы устройства и необходимой настройки снята осциллограмма на выходе компаратора (рис. 9). Форма и параметры импульсов практически не изменились, значительно уменьшился уровень шумов. Формирователь импульсов вырабатывает короткие импульсы с большой скважностью (рис. 10).
На выходе формирователя коротких импульсов создается короткий импульс отрицательной полярности с большой амплитудой (рис. 11).
Полученный короткий импульс проходит через фильтр и усиливается выходным усилителем. Амплитуда сигнала, полученная в результате расчетов должна быть не менее 5 В. Осциллограмма импульса на выходе генератора, полученная с помощью осциллографа TMR показана на рисунке 12. Измеренная амплитуда импульса примерно равна 5,5 В (с учетом аттенюатора).
Заключение
1. Полученные в ходе измерений осциллогаммы соответствуют теоретическим. Измеренная частота отличается от расчетной на 4,5%, что может быть вызвано разбросом параметров конденсаторов контура и индуктора поле-
Рис. 9. Осциллограмма сигнала на выходе компаратора
Рис. 10. Осциллограмма сигнала на выходе формирователя импульсов с сохранением временного масштаба
u
♦
k ГП
Г То. One A K l J
Kl Амплитуда
Период не найден
il • ^ 9. бООООпс
4 Фев 2010
РИс. 11. Осциллограмма сигнала на выходе формирователя коротких импульсов
образующей системы. Полученное значение тока больше расчетного на 5,7 %.
2. Измеренное в ходе проведения испытаний напряжение составило 87,8 В, что на 1,3 % меньше расчетного значения. Такое отклонение может быть вызвано током утечки конденсатора и вполне допустимо.
3. Суммируя, полученные в ходе проведения испытаний результаты отмечаем, что они соответствуют расчетным и свидетельствуют о правильной работе устройства. Амплитуда импульса на выходе генератора больше расчетной на 10 %. Частота запускающих импульсов незначи-
Рис. 12. Осциллограмма сигнала на выходе усилителя
тельно отличается от расчетной (на 1,8%).
4. Разработанные методики испытаний будут использованы при испытаниях изготавливаемых устройств в системах встроенного контроля.
Работа выполнена при поддержки РФФИ № И-07-00301.
Литература
1. Аваев НА, Шишкин Г.Г. Электронные приборы // М.: Изд-во МАИ, 1996. — 544 с.: ил.
2. D. Fnohman-Bertchkowjky, "Memory behaviour n a (loaling gale avalanche injection MOS (FAMOS) structure,"// Appl. Phys. Lett., vol. 18, p.332,1971.
3. Балякин ИА и др. Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки инфорамации // М.: Радио и связь, 1987. — 176 с.: ил.
4. Секен. К, Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с английского // М.: Мир, 1978 с.: ил.
5. Гуляев Ю.В., Лобанов БС, Митягин АЮ., Хлопов Б.В, Фесенко М.В. Нано-микросистемная техника , 2009, №11. — C.42-46.
6. Митягин АЮ., Хлопов Б.В., Фесенко М.В., Крутов М.М. Патент на изобретение №2323491 от 27.04.2008 г. (приоритет от 16.05.2006 г.). Бюл. №12
7. Митягин АЮ., Лобанов БС, Хлопов Б.В., Фесенко М.В., Кузминых АС Патент на изобретение №2428754 от 10.09.2011 г. (приоритет от
02.03.2010 г.). Бюл. №25.
8. Хлопов Б.В., Фесенко М.В. Патент на изобретение №2346345 от 10.02.2009 г. (приоритет от 26.04.2007 г). Бюл. №4.
9. Фесенко М.В., Хлопов Б.В. Патент на полезную модель №60255 от 10.01.2007 г. (приоритет от 26.09.2007г). Бюл. №1.
10. Хлопов Б.В, Лобанов Б.С, Бондарев Ю.С, Фесенко М.В, Дьяков М.С Патент на изобретение №105510 от 10.06.2011 г. (приоритет от
27.12.2010 г.). Бюл. №16.
11. Митягин АЮ, Хлопов Б.В. Аппаратура для уничтожения информации с современных носителей. Разработка и создание // Palmarium Academic Publishing, 2012 г. —168 с: ил.
The equipment for change of a condition of semi-conductor data earners
B.V. Khlopov, FGUP "CNIRTI im. academika A.I. Berga", Russia, [email protected]; M.V. Fesenko, FGUP "CNIRTI im. academika A.I. Berga"; AYu.Mityagin, Fryazinsky branch of Institute of Radio engineering and Electronics of VAKotelnikov of the Russian Academy of Sciences, [email protected]
Abstract
Effective ways of impact on semi-conductor electronic data carriers, for deleting and for the analysis of control methods of a condition of each cell of memory, after information deleting are considered. The most perspective complex method of destruction of information, providing simultaneous realization of ways of influence is defined. Samples of devices for information destruction from carriers on the basis of chips with non-volatile memory in which methods of an indirect assessment on key parameters with high speed in real time in the small-sized portable device of emergency destruction of information from semi-conductor carriers are offered are developed and made. For check of efficiency of deleting of information by a method of indirect control the model of a product of deleting of information from the semi-conductor carriers, consisting of three channels providing combined destruction of information is created. Theoretical and pilot studies and on channel tests of components of the model are carried out. Received during carrying out tests results correspond settlement and testify to completeness of indirect control and the correct operation of the device of destruction of information from semi-conductor carriers.
Keywords: Exterminator of information, indirect control, semi-conductor data carriers, flash carriers, device of transformation of tension, device of correction of a charge; device of accumulation of energy; shaper of impulses of management.
Referenses
1. Avaev NA., Shishkin G.G. Electronic devices// М.: МАИ, 1996. — 544 p.
2. D. Frohman-Bentchkowsky. Memory behaviour in a floating gate avalanche injection MOS (FAMOS) structure// Appl. Phys. Lett., vol.18, p.332,1971.
3. Balyakin IA Devices with charge transfer in radio engineering processing devices of information // М.: Radio i svyaz', 1987. — 176 p.
4. Seken K., Tompset М. Devices with charge transfer // М.: Mir, 1978 p.
5. Gulyaev Yu. V!., Lobanov B.S., Mityagin A.Yu., Khlopov B.V, Fesenko M.V "Nano-mikrosistemnaya tehnika" ,2009, №11, pp. 42-46.
6. Mityagin A.Yu., Khlopov B.V, Fesenko M.V, Krutov М.М. Patent №2323491 / 27.04.2008 (prioritet 16.05.2006). B.№12.
7. Mityagin A.Yu., Lobanov B.S., Khlopov B.V, Fesenko M.V, Kuz'minyh AS. Patent №2428754 от 10.09.2011 (prioritet 02.03.2010г). B.№25.
8. Khlopov B.V, Fesenko M.V Patent №2346345 от 10.02.2009 (prioritet 26.04.2007). B.№4.
9. Fesenko M.V, Khlopov B.V: Patent №60255 от 10.01.2007 (prioritet 26.09.2007). B.№1.
10. Khlopov B.V, Lobanov B.S., Bondarev Yu.S., Fesenko M.V, D'yakov M.S. Patent №105510 от 10.06.2011 (prioritet 27.12.2010). B.№16.
11. Mityagin A.Yu., Khlopov B.V. Equipment for information destruction from modern carriers. Development and creation // Palmarium Academic Publishing, 2012. —168 p.
