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电子学报 2022年第6期50卷 1381-1388页

作者：赵毅强高雅马浩诚张启智叶茂夏显召何家骥天津大学微电子学院天津300072 中国汽车技术研究中心天津300000

由于安全芯片信息泄露事件的频发,提高安全芯片的防护能力刻不容缓.本文提出了一种软件定义主动屏蔽层生成及防护系统构建的方法,无需具有安全背景知识即可在短时间内生成高熵值的顶层金属布线防护网络,有效遮蔽芯片加密模块等关键组件... 详细信息

由于安全芯片信息泄露事件的频发,提高安全芯片的防护能力刻不容缓.本文提出了一种软件定义主动屏蔽层生成及防护系统构建的方法,无需具有安全背景知识即可在短时间内生成高熵值的顶层金属布线防护网络,有效遮蔽芯片加密模块等关键组件,同时满足合规的相关要求.本文所提出的方法可由软件定义布线的类型、线宽、线间距等参数,能够适用于不同的工艺节点,且相关技术已经在华虹130 nm的工艺下进行了仿真验证,实现了主动屏蔽层与2种屏蔽层完整性检测电路的结合,验证了屏蔽层对聚焦离子束和微探针攻击的检测效果,实现了对侵入式物理攻击的有效感知与防护.

关键词：集成电路安全主动屏蔽层哈密顿结构检测电路抗物理攻击

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Galois环振的随机重构主动屏蔽层电路

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哈尔滨工业大学学报 2021年第6期53卷 148-154,162页

作者：甄帅原义栋辛睿山甘杰赵毅强智能感知与芯片安全技术实验室(天津大学) 天津300072 北京智芯微电子科技有限公司北京100192

随着微电子技术的发展,集成电路安全问题已经越来越受到人们的关注.主动屏蔽层作为芯片抗侵入式攻击的核心防线,其安全性关乎集成电路的信息安全.为提高主动屏蔽层的抗攻击水平,设计了基于Galois环振的随机重构主动屏蔽层电路.首先,在... 详细信息

随着微电子技术的发展,集成电路安全问题已经越来越受到人们的关注.主动屏蔽层作为芯片抗侵入式攻击的核心防线,其安全性关乎集成电路的信息安全.为提高主动屏蔽层的抗攻击水平,设计了基于Galois环振的随机重构主动屏蔽层电路.首先,在主动屏蔽层中插入可重构节点,使屏蔽层走线通道间的连接关系可以随机改变,从而增加了屏蔽层的复杂性,减小其失效面积,达到屏蔽层有效抵抗重布线攻击的目的.其次,采用屏蔽层与可重构节点复用的方法,设计了一种Galois环振型真随机数发生器,解决了主动屏蔽层每次上电后状态相同的问题,进一步提高了屏蔽层的安全性.基于8通道主动屏蔽层进行了改进与实验,仿真结果表明:可重构节点在SMIC 0.18μm工艺下面积仅为4395μm 2,芯片动态功耗较插入节点之前仅增加0.4%,主动屏蔽层的最大失效面积较之前缩小80%,使用真随机数作为种子生成的密码随机数序列通过了NIST SP800-22随机数测试;采用此方法芯片功耗和面积没有明显的增加,并且可重构节点与检测电路具有占用资源小、功耗较低等优点;电路可搭配多通道主动屏蔽层,为芯片提供较高等级的安全防护.

关键词：集成电路安全主动屏蔽层重布线攻击可重构节点真随机数

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基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层

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电子技术应用 2017年第7期43卷 28-31页

作者：王敏刘莹邵瑾胡晓波刘亮赵东艳张海峰尹国龙北京智芯微电子科技有限公司国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室北京100192 北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心北京100192 国家电网公司信息通信部北京100088 国网宁夏电力公司宁夏银川750001

安全芯片通常在芯片顶层布满主动屏蔽层,以防止侵入式物理探测、攻击篡改芯片部分功能模块,从而获取芯片内部存储的关键数据和敏感信息。本文提出了一种基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层的方法,对现有静态或动态检测的主动屏蔽层的安全芯... 详细信息

安全芯片通常在芯片顶层布满主动屏蔽层,以防止侵入式物理探测、攻击篡改芯片部分功能模块,从而获取芯片内部存储的关键数据和敏感信息。本文提出了一种基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层的方法,对现有静态或动态检测的主动屏蔽层的安全芯片,均可避开主动屏蔽层的检测实施攻击。该方法简易直接,可操作性极强,对芯片的安全设计和攻击具有重要的现实意义。使用该攻击方法,成功实现对智能IC卡进行侵入式攻击,探测到芯片RAM存储器输出数据信号,并重新激活了芯片测试模式。

关键词：安全芯片主动屏蔽层聚焦粒子束侵入式攻击

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高复杂度主动屏蔽层抗攻击技术研究

高复杂度主动屏蔽层抗攻击技术研究

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作者：甄帅天津大学

学位级别：硕士

信息技术的发展促进了社会生产力的快速进步,使信息交流变得方便快捷,但同时也带来了信息安全的问题。集成电路技术是信息技术的基石,其安全性是信息安全的前提与保障。安全芯片是集成电路硬件安全的核心技术,也是维护信息安全的重要手... 详细信息

信息技术的发展促进了社会生产力的快速进步,使信息交流变得方便快捷,但同时也带来了信息安全的问题。集成电路技术是信息技术的基石,其安全性是信息安全的前提与保障。安全芯片是集成电路硬件安全的核心技术,也是维护信息安全的重要手段。然而随着技术的发展,针对安全芯片的物理攻击方法正向着多样化、综合化的趋势演变,单一的抗攻击手段通常难以达到很高的防护效果。为了提高芯片系统的安全性,保护重要信息与知识产权,开展针对安全芯片防护技术的深入研究有着重要的社会意义和实际价值。本文针对安全芯片主动屏蔽层的抗侵入式攻击方法开展了全方位的研究。首先,针对多通道数字型主动屏蔽层提出了一种抗重布线攻击的方法,设计了一种重构节点电路,使通道间的数据动态切换,达到屏蔽层走线通道随机重构的目的,并且对节点的出入端口进行数据加密,保障了节点的数据安全。其次,根据重构节点与主动屏蔽层的结构特点,设计了一种基于Galois型环形振荡器的真随机数生成器,通过复用主动屏蔽层与重构节点的电路结构产生真随机数种子,并利用随机数种子产生屏蔽层的控制信号和检测码流。最后,设计了屏蔽层系统的控制电路,使主动屏蔽层按既定的工作模式在随机数生成和抗攻击检测状态之间切换,在确保其检测功能正常的同时极大的提高了抗攻击能力。本文基于SMIC 0.18μm工艺实现了重构节点与主动屏蔽层的电路与版图设计,并对其进行了仿真实验。文中主动屏蔽层的最大失效面积较插入节点之前缩小了80%,电路的动态功耗较插入节点之前仅增加0.4%,重构节点在该工艺下面积仅为4395μm,真随机数生成器产生的随机密码通过了NIST SP800-22随机数性能测试。设计的主动屏蔽层电路具有占用资源小、功耗较低等优点,可以为安全芯片提供较高等级的防护。

关键词：信息安全主动屏蔽层侵入式攻击重构节点真随机数

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基于固有参数检测的高性能主动屏蔽层研究

基于固有参数检测的高性能主动屏蔽层研究

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作者：姜晓文天津大学

学位级别：硕士

电子信息技术的发展推动了社会生产力的进步,改变了人们的信息交流方式,但同时也带来了信息泄露等安全隐患。安全芯片是维护信息安全的核心硬件,随着集成电路技术的进步,针对安全芯片的物理攻击手段不断升级,其中,侵入式攻击对芯片信息... 详细信息

电子信息技术的发展推动了社会生产力的进步,改变了人们的信息交流方式,但同时也带来了信息泄露等安全隐患。安全芯片是维护信息安全的核心硬件,随着集成电路技术的进步,针对安全芯片的物理攻击手段不断升级,其中,侵入式攻击对芯片信息安全造成了严重威胁。主动屏蔽层作为安全芯片抵御侵入式攻击的第一道防线,具有保护芯片内部关键模块和敏感信息的能力。主动屏蔽层一般通过金属屏蔽层和完整性检测电路的相互配合来抵御侵入式攻击。本文首先针对基于随机哈密顿走线的大规模金属屏蔽层生成算法效率不高的问题,提出了一种结合人工鱼群算法、动态规划算法和分治算法的随机哈密顿走线快速生成算法。该算法明显提升了具有高复杂度和高覆盖率的大规模金属屏蔽层的生成效率,与几种经典生成算法相比,其生成效率至少提升了2倍。同时,基于该算法实现了金属屏蔽层生成软件的设计。然后针对数字检测电路无法对重布线攻击进行检测的问题,设计了一种用于检测大规模金属屏蔽层固有电阻变化的电阻检测电路。该电路基于特定的金属屏蔽层设计了电阻-电压转换电路、Delta-Sigma调制器和数字处理电路,对金属屏蔽层电阻变化量进行转换、量化与比较,并采用全差分架构实现了电阻检测精度的提高以及温度漂移误差的消除。同时,设计了振荡器和带隙基准源来提高电路的可植入性。最后基于金属屏蔽层和电阻检测电路完成了高性能主动屏蔽层的设计,实现了对包括重布线攻击在内的各种正面侵入式攻击手段的有效防御,提高了主动屏蔽层的防护水平。采用GSMC 130nm 1.5V 4P7M工艺完成了电阻检测电路的版图设计与后仿真。后仿真结果表明,电路能对5mm×5mm的大面积安全芯片上方的金属屏蔽层进行电阻检测,能准确识别75kΩ的金属屏蔽层电阻上发生的低至4Ω的微小变化,并产生高电平报警信号;电路工作在-40℃～105℃温度范围内,检测周期为12ms,检测周期内电路功耗为47.9μW。

关键词：主动屏蔽层大规模金属屏蔽层生成算法电阻检测全差分架构 Delta-Sigma调制器

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一种抗重布线攻击的动态主动屏蔽层方法

一种抗重布线攻击的动态主动屏蔽层方法

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作者：冯婷湖南大学

学位级别：硕士

由于人类社会对电子产品和信息化产品的高度依赖,信息安全问题的地位也日益突出。在信息安全领域,安全芯片是一种非常重要的保障信息安全的工具,芯片内部包含硬件加密模块,有一定的计算能力和数据完整性检查等功能,同时还包含一些安全... 详细信息

由于人类社会对电子产品和信息化产品的高度依赖,信息安全问题的地位也日益突出。在信息安全领域,安全芯片是一种非常重要的保障信息安全的工具,芯片内部包含硬件加密模块,有一定的计算能力和数据完整性检查等功能,同时还包含一些安全保护模块。主动屏蔽层(Active shield)是常见的一种安全芯片内部电路的保护模块,通过在芯片顶层布线的方式探测物理攻击,保护芯片物理安全。重布线攻击则是针对主动屏蔽层的一种新型物理攻击,通过逆向工程技术分析出屏蔽层的拓扑结构,找到关键的等电位线,然后使用电路修改工具在等电位线上建立一条新的连线,使感应电路短路从而令屏蔽层的保护失效。本文研究利用更复杂的布线和动态走线的方法,构建更复杂的屏蔽层电路结构,抵抗重布线攻击。主要工作包括:针对安全芯片的物理安全性,分析了主动屏蔽层的设计结构和工作原理,指出了这种技术在安全性上的不足。从物理攻击的角度,分析了重布线攻击的操作原理和步骤,找出攻击成功的原因并设计改进的方法。构建了一种能动态改变等电位线拓扑连接结构的动态主动屏蔽层。这种屏蔽层利用开关电路构成路由节点,而路由节点及节点间的连接电路构成了屏蔽层的感应电路。同时,改变路由节点的连接状态就能改变整个屏蔽层等电位线的拓扑结构。将路由节点连接成哈密尔顿回路,通过改变路由节点的开关状态可以将节点连通成不同的哈密尔顿回路。通过一个算法来计算得到多条哈密尔顿路径和路由节点连接状态集合,连接状态集合用于生产控制信号。设计了一种能控制路由节点开关电路的屏蔽层控制器。控制器周期性地输出控制信号,令路由节点连接成不同的哈密尔顿回路,实现等电位线的连接方式动态变化的功能,以阻碍攻击者利用逆向工程技术分析得到等电位线的连接结构,从而抵抗重布线攻击。理论分析表明,动态主动屏蔽层方法具有更高的攻击代价,能有效抵抗重布线攻击。通过实验分析,简单的屏蔽层控制器的功耗开销不足0.1mW,因此在提高物理安全性的同时不会让芯片的功耗负荷有很大提高。

关键词：集成电路物理安全物理攻击重布线攻击主动屏蔽层动态屏蔽层

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