【摘要】：隨著IC行業(yè)和制造工藝的發(fā)展,芯片集成度越來(lái)越高�，F(xiàn)在,數(shù)以億計(jì)的晶體管可以被集成在一塊芯片上,這大大增加了IC設(shè)計(jì)的難度和周期,導(dǎo)致IC設(shè)計(jì)公司投入的資金劇增,而且由于制造工業(yè)的改進(jìn)也需要IC設(shè)計(jì)公司投入巨額的資金,所以越來(lái)越多的IC公司由于難以承受資金上的壓力選擇將芯片制造外包給專門生產(chǎn)芯片的公司。所以IC行業(yè)逐漸由以前的自己設(shè)計(jì)自己制造的模式變成IC設(shè)計(jì)和制造分離的商業(yè)模式,商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變減輕了IC設(shè)計(jì)公司的資金壓力,但是同時(shí)也帶來(lái)了很多問(wèn)題,比如芯片版權(quán)和安全問(wèn)題。如果一款關(guān)系國(guó)防和軍事信息的芯片被盜版的話,將會(huì)對(duì)國(guó)家造成巨大的損失和威脅。芯片設(shè)計(jì)公司將自己的設(shè)計(jì)交給代工廠進(jìn)行生產(chǎn),同時(shí)支付給代工廠一筆不小的費(fèi)用,代工廠擁有該芯片設(shè)計(jì)的所有詳細(xì)的制造信息,并且可以利用現(xiàn)成的掩膜版以很低的成本制造更多的芯片流入灰色市場(chǎng)來(lái)獲利,這不僅給設(shè)計(jì)者造成了巨額的經(jīng)濟(jì)損失,也會(huì)導(dǎo)致一些信息安全問(wèn)題。為了使設(shè)計(jì)者能夠間接控制或者監(jiān)控芯片后端生產(chǎn)過(guò)程,阻止芯片盜版和過(guò)度制造,IC計(jì)量技術(shù)被研究者提出用來(lái)解決這些問(wèn)題。這項(xiàng)技術(shù)是通過(guò)主動(dòng)或者被動(dòng)的方式讓設(shè)計(jì)者間接控制芯片的后端制造過(guò)程,從而達(dá)到阻止IC被過(guò)度制造的目的。按照實(shí)現(xiàn)機(jī)制的不同,可以分為主動(dòng)的和被動(dòng)的IC計(jì)量技術(shù)。在被動(dòng)式計(jì)量中,每一個(gè)被制造的芯片都被一個(gè)獨(dú)特且唯一的標(biāo)識(shí)(ID)來(lái)明確標(biāo)記了。設(shè)計(jì)人員需要檢查市場(chǎng)上集成電路的ID是否與預(yù)先形成的數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄相匹配,從而查出未注冊(cè)的芯片或被過(guò)度制造的芯片。一方面,這樣的統(tǒng)計(jì)工作將花費(fèi)設(shè)計(jì)者們很多時(shí)間和金錢,而且,不能保證所有制造的芯片是在線工作,這導(dǎo)致了統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不完整。另一方面,被動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)不能阻止過(guò)量生產(chǎn)的芯片投入正常使用。因此,研究者提出了一種主動(dòng)式的IC計(jì)量方案,該方案不僅可以對(duì)芯片進(jìn)行獨(dú)特的標(biāo)記,而且可以通過(guò)在芯片中嵌入鎖的結(jié)構(gòu)來(lái)主動(dòng)控制芯片的解鎖。每個(gè)芯片都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的不能克隆的解鎖鑰匙,并且只有設(shè)計(jì)者才有這把鑰匙。生產(chǎn)出來(lái)的芯片功能是被鎖定的,不能進(jìn)行測(cè)試封裝和進(jìn)入市場(chǎng)。只有代工廠從設(shè)計(jì)者那里獲得正確的解鎖鑰匙之后才能解鎖芯片,進(jìn)行后面一系列的工序,然后流入市場(chǎng)進(jìn)行使用。即使代工廠生產(chǎn)合同要求的數(shù)量之外的芯片,因?yàn)橹圃斐鰜?lái)的芯片功能是被鎖定的,所以沒有設(shè)計(jì)者給的正確的解鎖鑰匙的話,這些芯片也是不能正常工作,從而不能進(jìn)行交易和使用的。所以,主動(dòng)式的IC計(jì)量技術(shù)能夠阻止芯片被過(guò)度制造和盜版,能更好的保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。主動(dòng)式的IC計(jì)量技術(shù)不僅能唯一地識(shí)別芯片,還能使芯片的功能在解鎖之前只被芯片設(shè)計(jì)者訪問(wèn)。所以,主動(dòng)式的IC計(jì)量技術(shù)比被動(dòng)式的IC計(jì)量技術(shù)能更好地保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。根據(jù)實(shí)施機(jī)制,可進(jìn)一步分為內(nèi)部的主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)和外部的主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)。在內(nèi)部主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)中,在芯片設(shè)計(jì)的功能規(guī)范上實(shí)現(xiàn)芯片的鎖定和解鎖機(jī)制。有限狀態(tài)機(jī)(FSM)設(shè)計(jì)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部主動(dòng)式計(jì)量方案,通過(guò)在原始設(shè)計(jì)中的FSM中添加若干狀態(tài),使得上電狀態(tài)在這些添加的狀態(tài)中,從上電狀態(tài)到復(fù)位狀態(tài)需要輸入正確的序列。然而,添加狀態(tài)的數(shù)量應(yīng)該不少于制造的芯片數(shù)量。許多附加的狀態(tài)和相關(guān)的轉(zhuǎn)換會(huì)增加FSM的復(fù)雜性,也會(huì)導(dǎo)致較大的面積開銷。而且這種通過(guò)FSM來(lái)實(shí)現(xiàn)的計(jì)量機(jī)制雖然上電狀態(tài)不同,但是都會(huì)到一個(gè)統(tǒng)一的狀態(tài),所以,這類機(jī)制有一個(gè)統(tǒng)一的入口或者說(shuō)統(tǒng)一的解鎖標(biāo)志,這將會(huì)泄露一些重要的設(shè)計(jì)信息或者被攻擊者直接旁路掉添加的狀態(tài)。另外,由于額外的面向安全的設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)前端上實(shí)現(xiàn)的,因此由內(nèi)部主動(dòng)計(jì)量引入的性能開銷可能很高,并且難以控制。在提出的主動(dòng)IC計(jì)量中,為了使每塊芯片的鑰匙唯一,通常將芯片的ID用來(lái)計(jì)算出解鎖的鑰匙。芯片中的ID通常用物理不可克隆函數(shù)(PUF)來(lái)產(chǎn)生,但是PUF電路會(huì)隨著環(huán)境溫度,電壓等外界因素變化,會(huì)導(dǎo)致原來(lái)的鑰匙失效。外部的主動(dòng)式IC計(jì)量方案是在組合電路中非關(guān)鍵路徑上加異或門或者其他的邏輯門,但是這會(huì)導(dǎo)致時(shí)序上的開銷。如何更好地權(quán)衡安全性和設(shè)計(jì)開銷被設(shè)計(jì)者們忽略。如何能更好地解決現(xiàn)有的計(jì)量方案的這些不足或者提出一種更好的計(jì)量機(jī)制更好地保護(hù)知識(shí)版權(quán)是現(xiàn)在的一個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題,同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)。在本課題中,兩個(gè)主動(dòng)式的IC計(jì)量方案被提出來(lái)克服現(xiàn)有的計(jì)量方案的一些缺點(diǎn)。首先,一種新的外部的主動(dòng)式IC計(jì)量方案將在本課題中被提出,旨在減少現(xiàn)有外部的主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)使用非對(duì)稱加密電路帶來(lái)的巨大的面積開銷和提高對(duì)典型攻擊的抵御能力。該方案主要包括基于PUF的鑰匙生成模塊、基于PUF的鑰匙安全提取的改進(jìn)型的FSM設(shè)計(jì)、鎖的結(jié)構(gòu)部分和控制器四個(gè)部分。在詳細(xì)介紹該方案之前,我們先說(shuō)明一點(diǎn),由于芯片的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜,導(dǎo)致了制造出來(lái)的芯片出故障的概率大大增加,所以對(duì)芯片的測(cè)試已經(jīng)成了一項(xiàng)必不可少的工序,為了提高芯片的測(cè)試效率,掃描鏈結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到芯片設(shè)計(jì)中來(lái)提高芯片的測(cè)試效率。所以,我們可以充分利用IC設(shè)計(jì)中已有的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的IC計(jì)量機(jī)制。該方案的鎖的機(jī)制是本課題組提出的通過(guò)控制時(shí)序電路中的掃描鏈單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。在在該方案中,引入了基于原始掃描設(shè)計(jì)的PUF設(shè)計(jì),為每個(gè)生產(chǎn)的芯片生成唯一的鑰匙。在提出的外部的主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)中都采用將ID信息或者PUF響應(yīng)存儲(chǔ)在芯片中通過(guò)非對(duì)稱加密電路加密之后來(lái)提取該信息,本課題提出一種新的提取該重要信息的一個(gè)方案,即就是通過(guò)原始設(shè)計(jì)中的FSM來(lái)提取。通過(guò)對(duì)原來(lái)的FSM設(shè)計(jì)用C或C++語(yǔ)言進(jìn)行修改,當(dāng)PUF信息作為FSM的部分輸入時(shí),FSM的輸出可以被芯片設(shè)計(jì)人員用來(lái)提取基于PUF的鑰匙。這種提取信息的機(jī)制是在設(shè)計(jì)前端實(shí)現(xiàn)的,安全性能得到保證,而且開銷也遠(yuǎn)比加密電路產(chǎn)生的開銷要小很多。然后將提取到的鑰匙傳遞給鑄造廠,鑄造廠輸入該鑰匙,與PUF設(shè)計(jì)生成的鑰匙進(jìn)行比較。如果兩個(gè)序列匹配,掃描設(shè)計(jì)上的鎖被打開,芯片可以正常工作。否則,掃描鏈就會(huì)混亂。因?yàn)榉慈劢z的特性,這種機(jī)制只要解鎖成功一次,鎖的結(jié)構(gòu)將永久失效,之后使用芯片就不再需要再解鎖了控制單元主要完成對(duì)PUF設(shè)計(jì)的調(diào)用,用FSM提取PUF響應(yīng)以及輸入鑰匙之后的認(rèn)證。它主要包括一個(gè)n位鑰匙寄存器(KR)、兩個(gè)2位計(jì)數(shù)器、兩個(gè)q位計(jì)數(shù)器(q=log_2N)作為鑰匙計(jì)數(shù)器和結(jié)果計(jì)數(shù)器。制造商在芯片上的操作一般可分為三個(gè)主要階段:產(chǎn)生PUF響應(yīng),通過(guò)PUF控制FSM,輸入鑰匙進(jìn)行認(rèn)證。為了方便這些操作,我們引入了一個(gè)起始輸入信號(hào),用START表示,它表示每個(gè)階段的開始。為了區(qū)分由同一個(gè)起始信號(hào)調(diào)用的每個(gè)階段,引入了一個(gè)2位計(jì)數(shù)器:cnt_3來(lái)記錄起始信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)。對(duì)于這個(gè)計(jì)數(shù)器,START信號(hào)的上升沿作為有效的時(shí)鐘,讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在上電復(fù)位時(shí),START信號(hào)開始被置成高電平,以調(diào)用KR計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。將“0101?”的若干位序列加載到基于掃描鏈的PUF設(shè)計(jì)中。假設(shè)是這個(gè)序列是128位長(zhǎng)度,則第129個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生PUF響應(yīng),第130個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí),tc設(shè)置為高,在有效時(shí)鐘kr_clk來(lái)時(shí),PUF響應(yīng)輸入到KR中。用FSM提取PUF響應(yīng)時(shí),再次激活START信號(hào)。kr_clk選擇正常時(shí)鐘clk的半分頻時(shí)鐘,使PUF位和特定輸入可以被交替輸入到FSM中。在設(shè)計(jì)人員提取到PUF鑰匙并將其傳遞給制造商后,第三次將START信號(hào)設(shè)置為高,并輸入鑰匙,通過(guò)128個(gè)時(shí)鐘,與KR中的PUF響應(yīng)位進(jìn)行比較。如果結(jié)果計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)128次,即,n位用戶鑰匙與PUF鑰匙匹配,結(jié)果計(jì)數(shù)器將生成一個(gè)下降沿信號(hào),得到正確的解鎖信號(hào)。只有有效的解鎖信號(hào)能夠使特定的SFFs正常工作時(shí),芯片才能被激活。在本論文中,一種基于受控的強(qiáng)PUF-FSM結(jié)構(gòu)的內(nèi)部主動(dòng)式IC計(jì)量技術(shù)將被提出,以防止IC被盜版和過(guò)度制造。在這個(gè)PUF-FSM中,有一個(gè)特定的FSM結(jié)構(gòu)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)正確的信號(hào)來(lái)激活哈希電路,利用該FSM結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種內(nèi)部主動(dòng)式的IC計(jì)量的鎖定機(jī)制,但是這個(gè)FSM不同于在PUF-FSM中的FSM,只是他們的轉(zhuǎn)移條件相同,結(jié)構(gòu)相同,并且添加的這個(gè)FSM結(jié)構(gòu)的最后一個(gè)狀態(tài)是原設(shè)計(jì)中的復(fù)位狀態(tài)。上電狀態(tài)是PUF-FSM中的FSM的第一個(gè)狀態(tài),所以用戶需要一個(gè)正確的序列使電路從上電狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到復(fù)位狀態(tài)才能正常工作。解鎖芯片的鑰匙是PUF響應(yīng)的子序列。由于這種獨(dú)特的FSM結(jié)構(gòu),而且解鎖的鑰匙長(zhǎng)度不同,所以這種IC計(jì)量技術(shù)比其他內(nèi)部的主動(dòng)式的IC計(jì)量技術(shù)具有更好的魯棒性,產(chǎn)生的開銷也很小。將特定的挑戰(zhàn)序列C_(set)輸入到底層的PUF電路,將對(duì)應(yīng)的響應(yīng)R作為第一個(gè)FSM的輸入,使FSM從上電狀態(tài)S_1跳轉(zhuǎn)到S_(OE)狀態(tài),產(chǎn)生R的子序列,用R_(secret)表示。但FSM必須到達(dá)復(fù)位狀態(tài)芯片才能正常工作,只有在第二級(jí)FSM中輸入R_(secret),電路才能從S_(OE)跳轉(zhuǎn)到復(fù)位狀態(tài)。因此,任何人都不能繞過(guò)所有新引入的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換直接到原始復(fù)位狀態(tài)。這個(gè)計(jì)量方案可以防止入侵式攻擊,產(chǎn)生的開銷是也可以接受的。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN402

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