Генерация акустического поля компьютером

Часто включив компьютер мы слышим слабый писк. Если для ноутбука это редкость, то для стационарного компьютера писк бывает слышен даже на фоне работы вентилятора. Этот писк имеет двойственную природу. Одним источником писка является работа инверторов преобразователя питающего процессор, другим работа его динамической нагрузки — процессора. И если писк слышен не всегда, то мы не должны успокаиваться. Он присутствует. Только в неслышимом человеческим ухом ультразвуковом диапазоне. Эту сторону явления и использовал Ади Шамир.

В статье «Извлечение ключа RSA путём акустического криптоанализа с низкой частотой дискретизации» Ади Шамира и ее обзоре от Анатолия Ализара показана возможность регистрации акустического поля создаваемого ноутбуком на расстояниях от 0,3 до 4 м. Не смотря на то что применяются достаточно чувствительные микрофоны, это говорит о достаточно высокой мощности акустического поля. Она велика даже у ноутбука, процессор которого имеет потребляемую мощность менее 35 Вт.
Почему я пишу о мощности потребляемой процессором?
Еще в 2002 году мною было показано, что мощность генерируемых процессором помех может доходить до 50% потребляемой процессором мощности в зависимости от эффективности фильтрации системы распределения питания процессора. Эта генерируемая процессором мощность имеет электромагнитную природу, но часть ее преобразуется в акустический шум на элементах фильтра. Другая излучается в окружающее пространство в виде электромагнитного излучения.
Частотный диапазон электромагнитного поля (в зависимости от эффективности фильтров) простирается от единиц герц до сотен мегагерц. аналогично и диапазон частот генерируемого акустического поля (который ограничивается только излучательной способностью элементов).

Механизм генерации акустического поля компьютером

Акустическое поле генерируется с помощью электромагнитных (закон Ампера) и электростатических сил (закон Лоренца) которые существуют в открытом пространстве. При наличии в конструкции ферромагнитных материалов дополнительно проявляется эффект магнитострикции, а при наличии керамических конденсаторов диэлектрики которых обладают пьезоэффектом — пьезоэлектрический эффект. Последние многократно увеличивают преобразование электромагнитного поля в акустическое.

Сила Ампера

Электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника.

F = IBl

Сила Лоренца

Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью v заряд q лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще, иначе говоря, со стороны электрического E и магнитного B полей.

F=q[E+(v ∙ B)]

или для конденсатора

F=qE

Сила Ампера создаваемая импульсным током протекающим по свободным виткам катушек индуктивности (и токонесущим проводникам) побуждает их к вибрациям, которые многократно усиливаются при при их (и окружающих их элементах) механическом резонансе. В компьютере таковыми являются индуктивности системы питания, ток через которые промодулирован током питающим процессор. Он так же усиливается если ферритовый сердечник такой катушки обладает эффектом магнитострикции.
Но основным источником акустического излучения в компьютерах (процессорах) являются SMD керамические конденсаторы, которые во множестве расположены на самом процессоре и материнской плате и включенные в цепь питания процессора. Они предназначены как раз для фильтрации напряжения питания от широкополосных помех генерируемых процессором в шинах питания.
Эти конденсаторы для получения их высокой емкости (0,1 — 100 мкФ) выполнены многослойными и из диэлектриков классов II и III имеют значительно более высокую диэлектрическую проницаемость и, следовательно, ёмкость. Они являются пьезоэлектриками, поэтому механическое воздействие на них производит напряжение, то есть они подвержены микрофонному эффекту. И наоборот при подаче на них переменного напряжения они склонны к преобразованию его в вибрации и соответственно акустическую волну. И чем больше слоев (чем больше емкость) такого конденсатора, тем больше амплитуда акустической волны. На работе большинства источников питания эти эффекты не сказывается, за исключением случаев, когда рабочая частота находится в звуковом диапазоне.
Фильтруемое ими напряжение прикладывается к обкладкам многослойных керамических SMD конденсаторов, где переменная составляющая напряжения и создает акустическую волну.

Так что же делать?

Снизить мощность генерируемого компьютером акустического поля и соответственно вероятность извлечения ключей шифрования можно:

• Программно применением специальных алгоритмов обеспечивающих переменные интервалы между циклами использования ключа. Это создаст размытие анализируемой акустической волны и снизит ее уровень.
• Грамотно рассчитав систему фильтрации напряжения питания процессора по всей цепи от источника (многофазного инвертора) по линиям распределения процессора и далее на самом процессоре — тем меньше будет уровень создаваемой компьютером акустической волны. (это же относится и к электромагнитному излучению)
• Грамотно рассчитав систему фильтрации напряжения питания процессора по всей цепи от источника (многофазного инвертора) по линиям распределения процессора и далее на самом процессоре — тем меньше будет уровень создаваемой компьютером акустической волны. (это же относится и к электромагнитному излучению)

Но это больше относится к производителям элементной базы компьютеров и программистам, а нам пока остается ставить компьютер на виброгасящие поверхности, чаще смотреть по сторонам и не подключать к компьютеру непонятные гаджеты.