CN103023636A - 用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器、密码芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器、密码芯片。该稳压器包括：第一PMOS管和第二PMOS管组成的电流镜，其中，第一PMOS管的源极为参考电压输入端，第二PMOS管的源极为稳压器的电压输出端；第一电流源，连接在第一PMOS管的源极和电源之间；第二电流源，连接在第一PMOS管的漏极和公共地之间；第三电流源，连接在第二PMOS管的漏极和公共地之间；控制字发生器，用于根据密码芯片的状态，生成电流控制字；分流电流源，连接在第二PMOS管的源极和电源之间；第三NMOS管，连接在第二PMOS管的源极与公共地端之间第二PMOS管的源极和电源之间。本发明可以通过有意地控制密码芯片电源上消耗的功耗，使得攻击者无法从芯片电源的功耗上获取保密信息。
Description
技术领域
本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器、密码芯片。
背景技术
安全已经成为嵌入式系统设计和开发非常重要的一个问题。近年来出现了一种称之为旁路攻击的密码芯片密钥破解方法。当密码模块进行密码运算时，密码模块的运算时间、功耗和电磁场等旁路信息与密码模块中的密钥有一定的相关性。旁路攻击是对上述旁路信息采取一定手段进行分析从而获得密钥的一种密码分析技术，是一种被动攻击技术，攻击代价低、成功率高。其中，功耗分析是一种非常有效的旁路攻击技术，攻击者通过对密码芯片电源的功耗进行实时分析，可以在不破坏芯片的前提下取出密钥等保密信息。
因此，对于密码芯片等产品，如何保护好芯片正常工作时的功耗信息非常重要，必须实施一种技术来保护密码芯片的安全。
发明内容
本发明提供一种用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器、密码芯片，用以实现通过有意地控制密码芯片电源上消耗的功耗，使得攻击者无法从芯片电源的功耗上获取保密信息，从而达到抗功耗分析的目的。
本发明提供一种用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器，包括：
第一PMOS管和第二PMOS管组成的电流镜，其中，所述第一PMOS管的源极为参考电压输入端，所述第二PMOS管的源极为所述稳压器的电压输出端；
第一电流源，连接在所述第一PMOS管的源极和电源之间；
第二电流源，连接在所述第一PMOS管的漏极和公共地之间；
第三电流源，连接在所述第二PMOS管的漏极和公共地之间；
控制字发生器，用于根据所述密码芯片的状态，生成电流控制字；
分流电流源，连接在所述第二PMOS管的源极和电源之间，所述分流电流源的电流值由所述电流控制字控制，其中，当所述密码芯片处于加解密运算状态时，所述电流控制字为随机码，所述分流电流源的电流值为随机电流值；
第三NMOS管，连接在所述第二PMOS管的源极与公共地之间。
本发明还提供一种密码芯片，包括参考电压提供模块、稳压器和密码模块，所述稳压器包括：
第一PMOS管和第二PMOS管组成的电流镜，其中，所述第一PMOS管的源极为参考电压输入端，所述第二PMOS管的源极为所述稳压器的电压输出端；
第一电流源，连接在所述第一PMOS管的源极和电源之间；
第二电流源，连接在所述第一PMOS管的漏极和公共地之间；
第三电流源，连接在所述第二PMOS管的漏极和公共地之间；
控制字发生器，用于根据所述密码芯片的状态，生成电流控制字；
分流电流源，连接在所述第二PMOS管的源极和电源之间，所述分流电流源的电流值由所述电流控制字控制，其中，当所述密码芯片处于加解密运算状态时，所述电流控制字为随机码，所述分流电流源的电流值为随机电流值；
第三NMOS管，连接在所述第二PMOS管的源极与公共地之间。
在本发明中，当密码芯片处于加解密运算状态时，通过控制字发生器生成的电流控制字，将分流电流源的电流值设置为随机电流值，这样在整个运算过程中从电源上看到的电流大小是随机的，与运算数据无关，攻击者就无法从电源的功耗上获取保密信息，从而达到抗功耗分析的目的，提高了芯片的安全性。
附图说明
图1为本发明用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器实施例的结构示意图；
图2为本发明密码芯片实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示，为本发明用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器实施例的结构示意图，该稳压器可以包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3、分流电流源I0、控制字发生器11和第三NMOS管M3。
其中，第一PMOS管M1和第二PMOS管M2组成电流镜，第一PMOS管M1的源极为参考电压输入端，输入的参考电压为Vref，第二PMOS管M2的源极为稳压器的电压输出端，输出电压为Vout；第一电流源I1连接在第一PMOS管M1的源极和电源VDD之间；第二电流源I2连接在第一PMOS管M1的漏极和公共地之间；第三电流源I3连接在第二PMOS管M2的漏极和公共地之间；分流电流源I0连接在第二PMOS管M2的源极和电源VDD之间；第三NMOS管M3连接在第二PMOS管M2的源极与公共地之间；控制字发生器11与分流电流源I0连接。
本实施例的工作原理如下：第一PMOS管M1和第二PMOS管M2组成电流镜，第一电流源I1、第二电流源I2和第三电流源I3用于对电流镜进行偏置。参考电压输入端接入参考电压Vref，该参考电压Vref是来自于基准电压源的一个基准偏置电压，通过参考电压Vref、第一PMOS管M1和第二PMOS管M2，可以将稳压器的电压输出端的输出电压Vout也偏置在参考电压Vref，即Vout=Vref。控制字发生器11根据密码芯片的状态，生成电流控制字（current control code）。当密码芯片处于待机状态（standby）时，待机功耗很低，控制字发生器11生成电流控制字，该电流控制字将分流电流源I0的电流值设置为一个较低的待机电流值，该待机电流值可以根据密码芯片的待机功耗确定，只要满足芯片的待机功耗要求即可；当密码芯片处于加解密运算状态时，控制字发生器11生成的电流控制字为随机码，该随机码将分流电流源I0的电流值设置为随机电流值，具体地，该随机电流值根据加解密运算所需的电流值确定，该随机电流值大于整个加解密运算所需的最大电流值。第三NMOS管M3的作用是形成一个反馈环路，如果电压输出端Vout的负载电路上消耗的负载电流Iload小于分流电流源I0的电流值，那么多余的电流就会通过第三NMOS管M3流到地。
在本实施例中，当密码芯片处于加解密运算状态时，通过控制字发生器11生成的电流控制字，将分流电流源I0的电流值设置为随机电流值，这样在整个运算过程中从电源VDD上看到的电流大小是随机的，与运算数据无关，攻击者就无法从电源的功耗上获取保密信息，从而达到抗功耗分析的目的，提高了芯片的安全性。
可选地，再参见图1，本实施例还可以包括电阻Rc和电容Cc，电阻Rc和电容Cc串联连接并且连接在第三NMOS管M3的漏极和栅极之间；电阻Rc和电容Cc的作用是补偿环路的相位，保证稳定性。
另外，再参见图1，本实施例还可以包括旁路电容Cbyp，连接在第二PMOS管M2的源极和公共地之间。旁路电容Cbyp的作用是抑制电压输出端的负载电流Iload上的高频成分，减小电压输出端的负载电流Iload对分流电流源I0的电流的影响。
再参见图1，在电压输出端Vout上电的过程中，由于电压输出端Vout下的负载电路还处在非正常工作状态，可能会产生瞬态大电流，使得稳压器不能正常上电，而是停留在一个中间状态，该状态下电压输出端Vout的电压值小于预定值，为此采用上电控制电路12和第四NMOS管M4来避免这种情况的发生。其中，第四NMOS管M4连接在第二PMOS管M2的源极与电源之间；上电控制电路12连接在第四NMOS管M4的栅极与第二PMOS管M2的源极之间。上电控制电路12根据电压输出端Vout的电压值，生成使得第四NMOS管M4导通的偏置电压Vbias，具体地，如果电压输出端Vout的电压值小于预定值，上电控制电路12生成一个大于零的偏置电压Vbias，该偏置电压Vbias使得第四NMOS管M4导通，从而向旁路电容Cbyp注入电荷，提升电压输出端Vout的电压；当电压输出端Vout达到预定值的时候，上电控制电路12将偏置电压Vbias变为0，从而关断第四NMOS管M4，通过上述过程，使得稳压器正常上电。
如图2所示，为本发明密码芯片实施例的结构示意图，该密码芯片可以包括参考电压提供模块21、稳压器22和密码模块23。稳压器22与参考电压提供模块21连接，密码模块23与稳压器22连接。
参考电压提供模块21用于提供稳压器22需要的参考电压，稳压器22用于对电源进行稳压处理，密码模块22用于采用稳压处理后的电压作为电源，进行加解密运算。其中，稳压器22可以为图1所示用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器，在此不再赘述。
再参见图2，该密码芯片还可以包括时钟信号发生器24，与密码模块22连接，用于生成时钟信号，将时钟信号发送给密码模块22。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种用于密码芯片的抗功耗分析攻击的稳压器，其特征在于，包括：
第一PMOS管和第二PMOS管组成的电流镜，其中，所述第一PMOS管的源极为参考电压输入端，所述第二PMOS管的源极为所述稳压器的电压输出端；
第一电流源，连接在所述第一PMOS管的源极和电源之间；
第二电流源，连接在所述第一PMOS管的漏极和公共地之间；
第三电流源，连接在所述第二PMOS管的漏极和公共地之间；
控制字发生器，用于根据所述密码芯片的状态，生成电流控制字；
分流电流源，连接在所述第二PMOS管的源极和电源之间，所述分流电流源的电流值由所述电流控制字控制，其中，当所述密码芯片处于加解密运算状态时，所述电流控制字为随机码，所述分流电流源的电流值为随机电流值；
第三NMOS管，连接在所述第二PMOS管的源极与公共地之间。
2.根据权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述随机电流值根据所述加解密运算所需的电流值确定。
3.根据权利要求2所述的稳压器，其特征在于，所述随机电流值大于所述加解密运算所需的最大电流值。
4.根据权利要求1所述的稳压器，其特征在于，还包括：
串联连接的电阻和电容，连接在所述第三NMOS管的漏极和栅极之间。
5.根据权利要求1所述的稳压器，其特征在于，还包括：
旁路电容，连接在所述第二PMOS管的源极和公共地之间。
6.根据权利要求1所述的稳压器，其特征在于，当所述密码芯片处于待机状态时，所述分流电流源的电流值为待机电流值。
7.根据权利要求6所述的稳压器，其特征在于，所述待机电流值根据所述密码芯片的待机功耗确定。
8.根据权利要求1所述的稳压器，其特征在于，还包括：
第四NMOS管，连接在所述第二PMOS管的源极与电源之间；
上电控制电路，连接在所述第四NMOS管的栅极与所述第二PMOS管的源极之间，用于根据所述电压输出端的电压值，生成使得所述第四NMOS管导通的偏置电压。
9.根据权利要求8所述的稳压器，其特征在于，所述上电控制电路用于当所述电压输出端的电压值小于预定值时，生成所述偏置电压。
10.一种密码芯片，包括参考电压提供模块、稳压器和密码模块，其特征在于，所述稳压器包括：
第一PMOS管和第二PMOS管组成的电流镜，其中，所述第一PMOS管的源极为参考电压输入端，所述第二PMOS管的源极为所述稳压器的电压输出端；
第一电流源，连接在所述第一PMOS管的源极和电源之间；
第二电流源，连接在所述第一PMOS管的漏极和公共地之间；
第三电流源，连接在所述第二PMOS管的漏极和公共地之间；
控制字发生器，用于根据所述密码芯片的状态，生成电流控制字；
分流电流源，连接在所述第二PMOS管的源极和电源之间，所述分流电流源的电流值由所述电流控制字控制，其中，当所述密码芯片处于加解密运算状态时，所述电流控制字为随机码，所述分流电流源的电流值为随机电流值；
第三NMOS管，连接在所述第二PMOS管的源极与公共地之间。
11.根据权利要求10所述的密码芯片，其特征在于，所述密码芯片还包括时钟信号发生器。
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