BR102016025732B1

BR102016025732B1 - Circuito detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados e método de detecção

Info

Publication number: BR102016025732B1
Application number: BR102016025732-8A
Authority: BR
Inventors: Josias Otaciel Mainardi; Charles Santos de Avila; Marcus Kindel; Rafael Ramos Dos Santos; Francisco Osman Oliveira Gomes
Original assignee: Centro Nacional De Tecnologia Eletrônica Avançada S.A
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2022-11-01
Also published as: BR102016025732A8; WO2018081883A1; BR102016025732A2

Abstract

DETECTOR DE PULSOS RÁPIDOS NA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DE CIRCUITOS INTEGRADOS. Metodologia e implementação de detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, a qual consiste em condicionar o próprio pulso rápido aplicado na tensão de alimentação para disparar o alarme de segurança, mais especificamente utilizado em circuitos integrados destinados para aplicações que requerem alto nível de segurança e que geralmente possuem sensores para monitorar as condições de operação e/ou detecção de violação conhecidos como tamper detection, tais como: sensores de luz, sensores de características de tensão, sensores de frequência e temperatura, utilizados em Smartcards, epassports, simcards e produtos envolvendo circuitos seguros.

Description

Campo de aplicação

[001] Um circuito integrado (CI) contendo um processador (CPU), memória volátil e não volátil e capacidade de realizar operações criptográficas, que pode ser alternativamente denominado SmartCard, é utilizado em diversas aplicações com e sem fio, tais como Cartões de Crédito, Vale Transportes, Cartões de Controle de Acesso, Passaportes Eletrônicos, etc.

[002] Em comum, essas aplicações apresentam a necessidade de manter o sigilo e a integridade dos seus dados, de forma que possam ser acessadas apenas por agentes autorizados (sejam esses agentes uma pessoa ou uma máquina), tomando como exemplo os dados para a autorização de uma transação bancária, acesso a um local ou dados biométricos, certificados e vistos contidos em um passaporte.

[003] Para tais aplicações, é comum que a comunicação entre SmartCard e Leitor, bem como o armazenamento de dados, utilize métodos criptográficos para protegê-los contra acessos não autorizados. Além da criptografia, esses CIs podem incluir uma ampla gama de sensores utilizados para detectar condições anormais de operação, que são aplicadas por um atacante na tentativa de conseguir acesso a esses dados ou a fragmentos destes.

[004] Entre os diversos ataques conhecidos, há um que consiste na aplicação de pulsos rápidos (glitches) na tensão de alimentação do circuito integrado, seja por contato físico ou por indução através de pulsos eletromagnéticos, com a finalidade de provocar falhas no circuito que levem à revelação dos dados armazenados no mesmo (ou de parte deles). Estes pulsos rápidos também podem ser utilizados para contornar um ou mais mecanismos de segurança em um ataque compreendido por múltiplas etapas com a mesma finalidade.

[005] O presente relatório apresenta a descrição detalhada, acompanhada de figuras ilustrativas, de um novo detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, o qual consiste em condicionar o próprio pulso rápido para disparar o alarme de segurança, mais especificamente aplicado a circuitos integrados usados em aplicações que requerem alto nível de segurança e que geralmente possuem sensores para monitorar as condições de operação e/ou detecção de violação conhecidos como tamper detection, tais como: sensores de luz, sensores de características de tensão, sensores de frequência e temperatura.

Problemas do estado da técnica

[006] A detecção de pulsos rápidos em circuitos integrados é baseada em circuitos comparadores, que normalmente consomem muita energia para detectar variações de pequena amplitude e curtos períodos de duração, que caracterizam os pulsos rápidos utilizados com a finalidade de atacar circuitos integrados seguros. Caso sejam utilizados comparadores operando no regime de tempo contínuo, a corrente de polarização necessária (e, portanto o consumo) aumenta em proporção inversa à amplitude e ao período de duração do pulso de entrada que se deseja detectar. Caso sejam utilizados comparadores operando no regime de tempo discreto (comparadores chaveados), o seu consumo é proporcional à sua frequência de operação, que também é inversamente proporcional ao período de duração do pulso de entrada.

Estado da técnica

[007] Dentre os métodos e circuitos utilizados para a detecção de pulsos rápidos, os seguintes podem ser destacados:

[008] O método e aparato descrito na patente US 2008/0061843 A1, DETECTING VOLTAGE GLITCHES. Esta patente descreve um circuito que compara a média da tensão de alimentação com o sinal da tensão de alimentação. Quando um pulso rápido positivo ocorre, uma comparação é realizada e o evento é detectado e armazenado em uma flag digital;

[009] O documento EP 1 804 199 A1, DÉTECTEUR DE PICS PARASITES DANS L’ALIMENTATION D’UN CIRCUIT INTÉGRÉ. Neste documento, em condições normais, dois circuitos ficam isolados por uma chave. O primeiro amostra uma referência de tensão em um dos terminais da chave. O segundo possui uma fonte de corrente para impor um potencial baixo na saída do circuito. Quando um pulso rápido positivo ocorre, a chave é fechada e a referencia de tensão é amostrada no terminal de saída do detector;

[010] O documento US 2003/0226082 A1, VOLTAGE-GLITCH DETECTION DEVICE AND METHOD FOR SECURING INTEGRATED CIRCUIT DEVICE FROM VOLTAGE GLITCH ATTACK. Neste documento a idéia central é comparar dois níveis de tensão referenciados à tensão de alimentação. O detector pode ser ajustado para pulsos rápidos positivos ou negativos. Quando um pulso rápido ocorre, um dos nós responde mais rápido ao pulso mudando o estado de comparação e amostrando o evento numa flag digital;

[011] O documento US 7,839,182 B2, DETECTOR OF NOISE PEAKS IN THE POWER SUPPLY OF AN INTEGRATED CIRCUIT. Neste documento o detector é uma melhoria para interceptar pulsos positivos e negativos realizada no detector do documento EP 1 804 199. Agora o detector possui duas chaves, uma aberta e outra fechada. Cada uma intercepta uma condição de pulso e mostra o evento na saída através de uma referência de tensão projetada;

[012] O documento WO2009034490 A1, INTEGRATED CIRCUIT WITH DATA LINE MONITORING AND ALARM SIGNAL. Aqui se apresenta um circuito onde a idéia principal implementa detectores de pulsos rápidos dentro de barramentos de dados de memórias comparando digitalmente sinais complementares. Um pulso rápido sobre um dos barramentos gera um sinal de alarme a ser tratado pelo sistema;

[013] O documento US 2015/0015283 A1, METHOD AND APPARATUS FOR POWER GLITCH DETECTION IN INTEGRATED CIRCUITS. Neste documento de patente, a invenção descrita apresenta um circuito que monitora por comparação o evento de pulso rápido e amostra seu acontecimento através da entrada de clock de um flip-flop; e por último;

[014] O documento US 7,483,328 B2, VOLTAGE GLITCH DETECTION CIRCUITS AND METHODS THEREOF. Este documento apresenta um circuito no qual a invenção detecta pulsos rápidos dentro da memória. A geração de pulsos rápidos reseta a CPU. Sua implementação e comparação são baseadas em células digitais.

Objetivo da Invenção

[015] O detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, tem por objetivo principal aumentar o grau de segurança dos circuitos integrados com um consumo menor de potência. Para isto o circuito condiciona o pulso rápido, através de filtragem passa-bandas e amplificação, disparando um sinal de alarme e utilizando um circuito biestável tipo flip-flop ou tipo latch para registrá-lo. Essa operação é realizada utilizando um circuito de monitoramento sem a necessidade de utilização de circuitos comparadores.

[016] O uso de circuitos para monitorar rápidas e bruscas variações (glitch) em tensões de alimentação (VDD) previne a possibilidade de injeções de falhas em circuitos integrados para aplicações seguras.

Descrição das figuras

[017] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê: Figura 1 mostra o diagrama geral do detector de pulsos rápidos (100) na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, destacando os principais componentes da invenção [filtro passa-bandas (101), amplificador (102) e o registrador digital (103)] com sua interligação e ilustração da geração do sinal de alarme (107) a partir da filtragem da tensão de alimentação (104), amplificação do sinal filtrado (105) para geração do sinal de captura do registrador digital (106). Figura 2 mostra os gráficos comportamentais ao longo do tempo dos sinais apresentados na figura 1 quando um pulso rápido ocorre na tensão de alimentação do circuito integrado. Na coluna da esquerda é representada uma possível cadeia de sinais para um pulso rápido positivo enquanto na coluna da direita é apresentada uma possível cadeia para pulsos rápidos negativos. Figura 3 mostra o esquema de uma possível configuração de circuito detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, destacando que ele pode ser mais utilizado na configuração do detector de pulsos rápidos positivos. Figura 4 mostra o esquema de uma possível configuração de circuito detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, destacando que ele pode ser mais utilizado na configuração do detector de pulsos rápidos negativos.

Descrição da invenção

[018] O detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, trata- se de um circuito detector de pulsos rápidos, tanto positivos quanto negativos, o qual é essencialmente composto por um filtro passa-banda (101), um amplificador (102) e um registrador digital (103), onde o sinal a ser monitorado (104) é conectado na entrada do filtro (101), a saída do filtro é conectada na entrada do amplificador, a saída do amplificador é conectada na entrada de captura do registrador digital e sua saída contém a informação que indica a ocorrência de um pulso rápido no sinal monitorado.

[019] Nesse circuito a tensão de alimentação monitorada (104) é conectada na entrada de um filtro passa-banda (101), responsável por gerar um sinal filtrado (105) com a tensão contínua adequada para a polarização do amplificador (102) e a banda passante desejada para o detector de pulsos rápidos (100). O amplificador (102) amplifica o sinal filtrado (105) e transforma-o em um sinal de relógio (106), que é utilizado como entrada do registrador digital (103). O registrador digital (103) é carregado inicialmente com um valor correspondente à condição normal de operação (G), enquanto na sua entrada é aplicado o valor correspondente à ocorrência de pulso rápido na tensão de alimentação (G). A ocorrência de um pulso rápido na tensão de alimentação (104) gera o pulso de captura necessário para fazer com que valor (G) seja carregado no registrador digital (103), gerando o sinal de alarme (107). A alimentação do filtro passa-banda (101), do amplificador (102) ou do registrador digital (103) pode ser a própria tensão monitorada ou uma tensão derivada desta através de regulação, filtragem ou qualquer outro método de derivação.

[020] O detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, apresenta um método de detecção de pulsos rápidos, tanto positivos quanto negativos, sendo constituído na filtragem passa-banda do sinal de entrada, com sua posterior amplificação e utilização do sinal amplificado para excitar a entrada de captura de um registrador digital, previamente configurado com um valor digital correspondente a um estado de não-ocorrência de pulso rápido, que passa a armazenar o valor correspondente a ocorrência de pulso rápido após o evento de captura.

Forma de realização da invenção

[021] Uma implementação possível de circuito de detecção de pulsos rápidos positivos utilizando o método acima pode ser analisada na Figura 3. O filtro passa-banda (101) é implementado pela associação de um filtro passa-alta (301) com a resposta de frequência passa-baixa do amplificador (302). O registrador digital (103) é implementado pela utilização de um flip-flop tipo D com entrada de reset (303). O capacitor C31 é utilizado como filtro passa-alta (301). O nó de alimentação (304) é conectado a um terminal do capacitor, constituindo a entrada do filtro, enquanto o segundo terminal é conectado ao nó de saída do filtro (305), que está conectado à entrada do circuito amplificador (302) formado pelos transistores M31, M32, M33 e M34, pelo resistor R31 e pela fonte de corrente Ibias, todos conectados conforme mostrado. O nó de saída do amplificador (306) é conectado ao terminal de captura do registrador digital (303), e o terminal de saída do registrador ao nó de saída do detector de pulsos rápidos (307). O filtro passa-banda (100) é constituído pelo filtro passabaixa (301) e pela frequência de corte do amplificador (302), um filtro passabaixa natural ao circuito. A escolha da frequência passa-alta do filtro, do ganho do amplificador e da frequência de corte permitem selecionar os parâmetros do pulso rápido na tensão de alimentação que devem ser detectados. O estágio de entrada do amplificador, formado pela fonte de corrente Ibias, pelo resistor R31 e os transistores M31 e M32 são projetados para minimizar o consumo durante a operação normal do circuito. A taxa de descida (slew rate) do nó constituído pela ligação do dreno do transistor M32, um dos terminais do resistor R31 e as portas dos transistores M33 e M34, que é controlada majoritariamente pelas características do transistor M32 para valores altos de R31, é mais rápida do que a sua taxa de subida nessa situação. Da mesma forma, o nó de saída (306) do amplificador, que está conectado ao terminal de captura do flip-flop (303), é projetado de forma que o transistor M33 apresente uma capacidade de corrente maior que o transistor M34, o que resulta em taxa de subida maior na direção da borda de captura do flip-flop (303), que é imprescindível para o registro de um pulso rápido com o mínimo consumo de potência possível.

[022] Uma implementação possível do circuito de detecção de pulsos rápidos negativos utilizando o método descrito anteriormente pode ser visto na Figura 4. O capacitor C41 é utilizado como filtro passa-alta (401). O nó de alimentação (404) é conectado a um terminal do capacitor, constituindo a entrada do filtro. O segundo terminal do capacitor é conectado ao nó de saída do filtro (405), conectado à entrada do amplificador (402) formado pelos transistores M41, M42, M43, M44, R41, Vbias1 e Vbias2, todos conectados conforme a figura 4. O nó de saída do amplificador (406) é conectado ao terminal de captura do registrador digital (403), e o terminal de saída do registrador ao nó de saída do detector de pulsos rápidos (407). Assim como no circuito exemplificado na Figura 3, o filtro passa-banda é constituído pela associação do filtro passabaixa (401) e da frequência de corte do amplificador (402).

[023] A característica inventiva deste método de inovação permite desenvolver circuitos ou sistemas para detecção de pulsos rápidos livres de comparadores e verificação de médias, o que resulta em um circuito com um menor consumo para os mesmos parâmetros de pulsos rápidos a serem detectados.

[024] Os blocos auxiliares mencionados ao longo do texto, como fontes de polarização de tensão ou corrente, podem ser constituídos de circuitos independentes sem necessitar elementos externos. Isso garante robustez e segurança à implementação desenvolvida.

[025] Desta forma, a presente invenção, detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, objeto da presente patente, que pertence ao setor de projeto de circuitos integrados, aplicado à segurança de circuitos e que se refere a um detector de pulsos rápidos, na tensão de alimentação, para pulsos positivos e negativos, conforme descrito acima, apresenta uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação aos circuitos atualmente utilizados e encontrados na literatura.

[026] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que o DETECTOR DE PULSOS RÁPIDOS NA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DE CIRCUITOS INTEGRADOS, trata-se de um dispositivo novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.

Claims

1 - Circuito detector de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, tanto positivos quanto negativos, CARACTERIZADO por ser essencialmente composto por um filtro passa-banda (101), um amplificador (102) e um registrador digital (103), onde o sinal a ser monitorado (104) é conectado na entrada do filtro (101), a saída do filtro é conectada na entrada do amplificador, a saída do amplificador é conectada na entrada de captura do registrador digital e sua saída contém a informação que indica a ocorrência de um pulso rápido no sinal monitorado.

2 - Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo o filtro passa-banda (101) ser implementado utilizando a combinação de um filtro passa-alta e a frequência de corte do amplificador.

3 - Circuito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo registrador digital (103) ser constituído de um circuito sequencial biestável tipo Flip-Flop.

4 - Circuito, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo registrador digital (103) ser constituído de um circuito sequencial biestável tipo Latch.

5 - Circuito, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo amplificador (102) ser projetado para apresentar uma taxa de subida (Slew Rate) mais rápida no sentido da borda de captura do FlipFlop ou no sentido do nível de habilitação do Latch.

6 - Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo sinal monitorado (104) ser o próprio sinal de alimentação do circuito.

7 - Circuito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo sinal monitorado (104) ser regulado ou filtrado ou derivado por outro método para gerar a alimentação do circuito ou de parte dele.

8 - Método de detecção de pulsos rápidos na tensão de alimentação de circuitos integrados, tanto positivos quanto negativos, CARACTERIZADO por ser constituído na filtragem passa-banda do sinal de entrada, com sua posterior amplificação e utilização do sinal amplificado para excitar a entrada de captura de um registrador digital, previamente configurado com um valor digital correspondente a um estado de não-ocorrência de pulso rápido, que passa a armazenar o valor correspondente a ocorrência de pulso rápido após o evento de captura.