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抗SAT攻击的IC计量技术研究

抗SAT攻击的IC计量技术研究

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作者：孙韬智哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来，工艺技术的进步促使集成电路（IC）的集成度和设计复杂度不断提高，甚至超过了摩尔定律的预测。诸多集成电路厂商不得不摒弃以往的IDM（IntegratedDesignandManufacture）商业模式而追求一种更高效的商业模式。水平化的半导体... 详细信息

近年来，工艺技术的进步促使集成电路（IC）的集成度和设计复杂度不断提高，甚至超过了摩尔定律的预测。诸多集成电路厂商不得不摒弃以往的IDM（IntegratedDesignandManufacture）商业模式而追求一种更高效的商业模式。水平化的半导体商业模式应运而生。该模式下，集成电路设计人员只专注于芯片设计而将芯片制造的业务外包给代工厂商完成。这种水平化的模式让芯片产业分工更加细化，也使得各生产部门可以专注于自己领域技术迭代更新，从而促进了芯片上市时间的缩短。此外，芯片设计公司无需承担芯片制造的高额开销，这就大大降低了芯片的设计和研发的门槛。然而，水平化的商业模式也导致了设计公司和代工厂商之间的不平等关系。设计公司须交付给代工厂商完整的芯片版图文件，但设计者却无法掌握芯片生产制造过程中的情况。如果代工厂商私自过量生产芯片，这不但给芯片设计商造成了巨大的经济损失，而且还会引起一系列的安全问题，甚至对国家安全造成极大威胁。因此，如何保证芯片不被过量生产从而保护芯片设计商的知识产权，是亟需解决的问题。　　为了防止芯片的过量生产，人们提出了IC计量技术，通过计量生产的芯片数目实现对IC产权的保护。依据实现机制，IC计量技术可以分为被动式计量技术和主动式计量技术。被动式计量技术中，每块芯片都添加了唯一标识，人们通过将芯片标识与数据库数据比对来判断芯片是否被过量生产。然而，被动式计量技术并不能阻止过量生产的芯片流入灰色市场。主动式计量技术则可以实现对芯片的远程启用/禁用，从而更有效地保护芯片设计者的产权利益。现有的主动式计量技术通常使用组合逻辑锁定技术实现对芯片功能的混淆。然而，基于布尔满足性（SAT）的攻击却可以在合理时间范围内破解组合逻辑锁的密钥。因此，本工作提出实现一种抗SAT攻击的计量方案。　　现有的SAT攻击基于下面两个前提：（1）攻击者需要获取完整的电路网表;（2）攻击者需要通过激活的芯片获取正确的输入输出对，这些输入输出信息又被称为“神谕”。为了抵御SAT攻击，人们分别从（1）限制SAT攻击效率;和（2）阻止攻击者获取“神谕”信息入手。逻辑锁方案Anti-SAT利用互补的与门树和与非门树做组合对输出进行处理，使SAT攻击者无法利用可区分输入对（DIP）区分出导致输出错误的密钥位，SAT攻击过滤错误密钥的效率因此大大降低。但是这种改进方案易遭受移除攻击。另一方面，由于攻击者只能依赖扫描链获取芯片组合电路的输出，一些方案考虑通过混淆或阻塞扫描链输出，阻止攻击者获取“神谕”。但是随后提出的Scan-SAT技术对现有的扫描链锁定方案提出了巨大的挑战。　　本文提出一种新的抗SAT攻击的IC计量技术。由于芯片的制造测试与芯片是否正常执行功能无关，因此，我们提出“芯片正常工作时，密钥可正常解锁芯片;测试时，锁定功能设计部分，使芯片处于功能混淆状态。”这样，攻击者根本无法借助扫描链在测试模式下获取神谕数据，因此将无法实现SAT攻击。　　实现的IC计量方案主要包括以下几部分的设计：逻辑锁设计，PUF设计，PUF响应安全提取和控制模块四个部分。逻辑锁设计主要实现组合逻辑输出数据的混淆。考虑到逻辑锁设计同时可为PUF响应安全提取设计所复用，方案基于混淆部分扫描单元的正常数据输入实现逻辑锁设计。因为扫描链单元的正常数据输入就是组合逻辑的输出数据，为了混淆，可以选择部分扫描单元，将它们的数据输入端两两相互对调。这不仅混淆了组合逻辑的输出数据，同时还能维持原设计的可测试性。具体设计中，首先要选择一些扫描单元，这里设计了一个算法，确保当每对扫描单元进行输入数据互换时，原有电路的可测试性不受影响。除此之外，算法还通过在不同输入下待测试节点的输出变化对待测试节点进行分类，为后续PUF响应的推演提供了信息。选定的扫描单元单元的数据输入端添加一个4选1多路选择器为扫描单元提供输入。方案设计控制模块来区分电路当前的工作模式。正常模式，当存储在非易失性存储器中的密钥与芯片PUF响应共同决定的信息正确时，芯片正常工作，否则电路处于锁定状态。测试模式，PUF响应直接控制多路选择器，部分扫描单元作无法获取正确数据，扫描链将被设置捕获“错误”的电路响应。因此，攻击者无法通过扫描链获取电路正常工作时的输出数据，从而无法基于SAT攻击实现密钥的推演。由于VIA-PUF完美的可靠性和良好的独特性，方案引入了VIA-PUF用于生成唯一的ID，PUF响应的独特性保证了每块芯片都有一把独特的开启电路逻辑锁的“钥匙”;由于PUF响应决定了最终计算的解锁信息，因此，PUF响应必须进行安全的提取，即：除了芯片设计者，其他人无法实现PUF响应提取。为了降低设计开销，这里复用了逻辑锁设计来实现PUF响应的安全提取。选择两组特定的测试向量输入电路，并记录两次的输出。由于在测试时由两比特的PUF响

关键词：集成电路过量生产 SAT攻击被动式计量扫描链设计

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