清华新闻网9月18日电 一体化存储设备（MSDs），如micro-SD卡、USB闪存驱动器和多媒体MMC卡等，因其小巧、高性能、可靠性和易用性，广泛用于各类电子设备和系统中。由于损坏、故障或故意删除，常常导致MSDs中一些关键或敏感数据丢失。因此，如何从MSDs中恢复出这些数据，成为犯罪调查、法庭鉴定和商业领域的重大需求。但是，从一体化存储设备的芯片中恢复丢失的数据一直是法庭科学和数据恢复技术领域面临的难题和挑战。传统方法通常需要人工去除绝缘层以访问设备的印刷电路板（PCB），这种方法不仅耗时，还可能损伤关键存储部件，对数据恢复产生不利影响。此外，虽然有研究者提出使用micro-CT成像作为一种检测方法，但该方法成像时间长、具有辐射损伤，更重要的是X射线可能在存储的数据中引入不可修复的比特错误。
为了解决上述问题，近日，清华大学物理系薛平课题组和公安部鉴定中心张宁科研团队等合作，成功研发了一种一体化存储芯片手术机器人技术，巧妙融合了机器人智能、光学相干层析（OCT）和激光刻蚀消融（laser ablation）等技术，首次实现了对存储芯片的“诊疗一体化”。该技术有望替代传统电子数据取证方法，极大提升了电子数据检验的效率和智能化、自动化水平；同时还有望迁移到许多其他领域，如临床手术、微电子加工、文物修复等。相关研究成果近日以“机器人光学相干层析成像导航下的一体化存储芯片的检测和微创手术”（Robotic-OCT guided inspection and microsurgery of monolithic storage devices）为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communication）上。

图1.连续扫描Robotic-OCT系统的示意图。（a）Robotic-OCT系统的照片。（b）Robotic-OCT扫描仪的示意图。（c）机械臂的扫描轨迹以及两个相邻的连续扫描区域。（d）两个相邻区域的OCTen face图像。（e）覆盖整个micro-SD卡区域的融合图像
OCT通过光学相干原理可以实现对生物组织的高分辨三维快速层析成像，在生物医学领域有很多重要的应用。合作团队将这类高分辨断层成像的光学技术推广到电子取证领域。相比于有辐射的X射线成像技术，OCT使用低功率的近红外光，避免了对操作员、设备或存储数据的潜在危害。同时，由于传统OCT系统受限于二维振镜的扫描，难以同时实现大范围和高分辨率成像，加之MSD结构内的高反射表面可能导致OCT信号的饱和伪影，从而妨碍对底层结构的可视化，因此，合作团队结合使用机器人智能技术，研制出六轴高精度的OCT成像系统（如图1所示）；并提出一种连续扫描策略，利用机器人的智能扫描来替代传统OCT扫描成像中的振镜慢轴；通过自动优化扫描角度和持续扫描，实现了对micro-SD卡的高速、高分辨率的三维成像检测（如图2所示）。该方法相比于传统停止-凝视扫描模式，速度提升了一个数量级以上。利用上述的新型Robotic-OCT系统，合作团队对不同类型的micro-SD卡进行的三维成像，实现了不需要去除表面绝缘漆情况下的电路逆向工程、通孔识别、管脚定位等功能，并且可以诊断不同损坏类型的micro-SD卡，自动分析划痕深度、烧伤程度和折痕损坏区域等。

图2.micro-SD卡多层结构的层析分析。3D OCT图像（a）从上到下的视角和（b）横截面视图。（c）micro-SD卡多层结构的示意图。（d）三个不同深度的OCTen face图像。顶部：表面（深度=0微米）。中部：PCB引脚侧（深度=23微米）。底部：PCB芯片侧（深度=273微米）。（e）在（d）中标记为黄色矩形的两个不同位置P1和P2的平均一线扫描信号

图3.micro-SD卡的Robotic-OCT引导激光消融微创手术。（a）Card 8的显微图像及成像区域（红框）。（b）图（a）中红框所示区域的OCT en face图像。（c）子图到全图配准的结果。（d）技术引脚的识别和测量。（e）激光消融微创手术后的微型SD卡，只暴露了相关的引脚。（f）通过将暴露的引脚连接到数据恢复系统，直接从内部闪存中访问数据
此外，受到医疗领域诊疗一体化理念的启发，研究团队将激光消融设备光学共路集成于Robotic-OCT系统中，构成一体化存储芯片手术机器人。在OCT三维图像的引导下，有选择性地精准移除芯片绝缘层的目标区域，仅暴露相关的数据恢复管脚（如图3所示），最大限度地减少了对设备的损害，并简化了焊接过程，大大提高了数据恢复效率。《自然·通讯》的审稿专家认为，该文章提出了一种创新性的系统和方法，并展示了该系统在快速成像、缺陷检测、引脚识别和针对目标区域的激光消融方面的能力，该技术有望颠覆传统电子数据取证方法，实现数据恢复效率前所未有的提升。
光学成像与机器人智能技术的结合不仅为数据恢复提供了更有效、更安全的方式，在其他各种不同的领域中也有很好的应用前景。例如，在临床领域，新型Robotic-OCT引导的激光消融技术可以在手术过程中精准实时地识别肿瘤边界，外科医生可以准确地定位并移除癌症组织，以实现对周围健康组织的损伤降至最低。本研究将该技术进一步拓展，未来在电子物证、失效分析、材料测试和质量控制等更广泛领域均有很好的应用价值。值得一提的是，在微电子领域，这种新技术可以实现三维、快速、精准、选择性地去除芯片中的表层材料，继而提升优化芯片电路性能，有望在复杂集成电路的制造中发挥重要作用。
清华大学物理系2019级博士生何滨、实习生张煜欣（现香港大学博士生）和公安部鉴定中心赵露为该文章的共同第一作者。薛平与张宁为该论文的共同通讯作者。该研究得到北京市科技新星计划、国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41498-x
供稿：物理系
题图设计：金娅辰
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年09月18日 14:06:03