CN105739338A - 集成电路旁路信号差分放大采样系统和采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成电路旁路信号差分放大采样系统和采集方法，采样系统包括控制单元和采集单元；控制单元通过第一数据接口与所述采集单元相接，用于控制采集单元的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口与上位机进行数据交互；所述采集单元包括插接被测集成电路芯片用的第一测试座、插接安全芯片用的第二测试座、差分放大器、带通滤波器、模数转换器和第二数据接口；第一测试座和第二测试座共接同一套外围电路。本发明可以获得被测集成电路芯片的动态高精度旁路信号，可有效抑制逻辑噪声的干扰，摆脱对高精度示波器设备的依赖，提高对被测集成电路芯片的旁路信号的采集精度和采集效率。

Description

集成电路旁路信号差分放大采样系统和采集方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路检测处理电路，具体地说是一种集成电路旁路信号差分放大采样系统和采集方法。

背景技术

集成电路运行过程中会引起电流的波动，会产生电磁辐射，这些都被称作是集成电路的旁路信号（SideChannelSignal，也称为侧信道信号）。实验证明，旁路信号的变化与集成电路的内部结构是紧密相关的。一旦集成电路内部结构由于老化、缺陷、干扰、篡改等原因发生变化，其所对应的旁路信号也必然产生相应的变化。因此，通过利用模式识别等方法，对旁路信号的变化进行分析，就可以检测集成电路内部发生的细微变化。

旁路信号的采集是旁路分析的前提，然而，旁路信号采集会受到噪声的严重干扰，其中主要的部分就是逻辑噪声。逻辑噪声是指电路中目标部件之外的其它电路所产生的旁路信号。现有的功耗旁路信号的采集方式是，利用示波器对串联在集成电路电源线路（电源或地线）中的电阻的电压波动进行测量，以得到集成电路中的电流波动情况，从而实现对功耗旁路信号的采集。这种采集方式需要借助高精度示波器对功耗旁路信号进行采集，之后，再借助差分分析方法（DPA）、相关性分析方法（CPA）等方式对采集的信号进行分析，以消除逻辑噪声的干扰。

然而这种方法存在有以下两个问题：1、由于时钟抖动、线路延迟变化等因素的干扰，示波器对旁路信号的采集往往难以实现精确对齐，这就使得后续的差分过程难以有效消除逻辑噪声，造成旁路信号的抖动现象比较严重，对旁路信号的分析造成严重的干扰。2、由于集成电路制作工艺的不断提高，其旁路信号的采集难度也在不断加大，需要使用更高精度、更高采样率的示波器，否则就难以得到高质量的旁路信号。

发明内容

本发明的目的就是提供一种集成电路旁路信号差分放大采样系统和采集方法，以解决集成电路的旁路信号不易精准采集和旁路信号中的噪声干扰信号不能有效去除的问题。

本发明是这样实现的：一种集成电路旁路信号差分放大采样系统，包括控制单元和采集单元。

所述控制单元通过第一数据接口与所述采集单元相接，用于控制采集单元的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口与上位机进行数据交互，将所采集的数字旁路信号发送给上位机。

所述采集单元包括插接被测集成电路芯片用的第一测试座、插接安全芯片用的第二测试座、差分放大器、带通滤波器、模数转换器和第二数据接口；所述第一测试座和所述第二测试座共接同一套外围电路，所述外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、中断电路和第一数据接口；所述第一测试座的地线与延迟电路相接，所述延迟电路的输出端分两路，一路接所述差分放大器的第一输入端，另一路接可调检流电阻，所述可调检流电阻的另一端接公共信号地；所述第二测试座的地线分两路，一路接所述差分放大器的第二输入端，另一路接精密检流电阻，所述精密检流电阻的另一端分接公共信号地和第六接线端；所述差分放大器的输出端接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端分两路，一路接第五接线端，另一路接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与所述第二数据接口相接。

在所述可调检流电阻的一端接有第一接线端，在所述可调检流电阻的另一端接有第二接线端；在所述精密检流电阻的一端接有第三接线端，在所述精密检流电阻的另一端接有第四接线端。第一接线端和第三接线端均为可跳线插头，方便接入其它传感器（电磁、热、光等）获得的旁路信号。第二接线端、第四接线端和第六接线端均与公共信号地直接相连，提供测试地线。第一接线端和第三接线端的输出分别接到差分放大器的两个输入端。该差分放大器增益一般大于50dB。第一接线端和第三接线端也可作为外部输出，直接连接示波器的差分探头，可用于原始信号的初步分析。第五接线端可将带通滤波器的信号输出，可接外部的示波器等测量设备，从而辅助分析旁路信号的特征。

所述第一测试座为双列直插封装测试座和/或四边扁平封装测试座；所述第二测试座为双列直插封装测试座和/或四边扁平封装测试座；当然也可使用其他结构类似的公知测试座。

本发明还可这样实现：一种集成电路旁路信号差分放大采样方法，包括以下步骤：

a、设置一套集成电路旁路信号差分放大采样系统；所述集成电路旁路信号差分放大采样系统包括控制单元和采集单元；

所述控制单元通过第一数据接口与所述采集单元相接，用于控制采集单元的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口与上位机进行数据交互，将所采集的数字旁路信号发送给上位机；

所述采集单元包括插接被测集成电路芯片用的第一测试座、插接安全芯片用的第二测试座、差分放大器、带通滤波器、模数转换器和第二数据接口；所述第一测试座和所述第二测试座共接同一套外围电路，所述外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、中断电路和第一数据接口；所述第一测试座的地线与延迟电路相接，延迟电路的输出端分两路，一路接所述差分放大器的第一输入端，另一路接可调检流电阻，所述可调检流电阻的另一端接公共信号地；所述第二测试座的地线分两路，一路接所述差分放大器的第二输入端，另一路接精密检流电阻，所述精密检流电阻的另一端分接公共信号地和第六接线端；所述差分放大器的输出端接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端分两路，一路接第五接线端，另一路接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与所述第二数据接口相接；

b、选择与被测集成电路芯片相同型号、相同批次的一个集成电路芯片，经过开片、逆向工程分析和逻辑测试，确定为安全芯片后，即可作为对比测试的安全芯片；将被测集成电路芯片插入第一测试座，将安全芯片插入第二测试座；

c、从可调检流电阻两端引线连接到示波器的一个通道，从精密检流电阻两端引线连接到示波器的另一个通道；给被测集成电路芯片和安全芯片加电，在空置状态下，通过调整可调检流电阻的阻值，由示波器对两个通道中输入的电压信号进行差分，使差分输出归零，完成被测集成电路芯片和安全芯片的静态功耗的差异调平操作；

d、在被测集成电路芯片和安全芯片中烧写相同的程序，并将待测指令/操作置于中断响应程序中，实现指令同步；

e、被测集成电路芯片和安全芯片同时开时运行同一等待程序，调节延迟电路，直至差分放大器的差分放大结果输出归零，从而实现精确的相位同步；

f、向被测集成电路芯片和安全芯片发送不同的处理数据，二者的指令/操作完全相同，差异仅在于数据不同；第一测试座和第二测试座输出的旁路信号直接送入差分放大器进行差分放大，相同的旁路信号被差分放大器差分消除，由数据差异所对应的旁路信号得到放大，并输出给带通滤波器，该旁路信号经带通滤波器滤波后，送入模数转换器转换成数字化旁路信号后，通过第二数据接口传输到外部的数据采集设备，从而得到高精度数字化的旁路信号。

本发明通过对被测集成电路芯片运行中的动态旁路信号采用硬件平台进行调平、对齐，然后进行差分放大，并进行模数转换，从而获得高质量数字化的旁路信号。采用硬件平台对旁路信号进行精确对齐，能够更好地抑制逻辑噪声；对模拟差分信号进行放大和滤波处理，能有效降低量化噪声的干扰，提高旁路信号的质量。模数转换器将差分放大后的模拟信号转换为数字信号予以输出。因此，通过该硬件平台可以直接采集被测集成电路芯片的旁路信号，同时，在该硬件平台上还保留有测试接口，可与传统的旁路信号采集方式进行兼容。

本发明可以获得被测集成电路芯片的动态高精度旁路信号，可有效抑制逻辑噪声的干扰，摆脱对高精度示波器设备的依赖，提高对被测集成电路芯片的旁路信号的采集精度和采集效率。

本发明的特点：

1、本发明采用硬件平台对集成电路运行中的动态旁路信号进行差分，从而有效抑制逻辑噪声的干扰，所采集旁路信号质量相较示波器的直接采集有显著提高。

2、通过严格的等宽、等长、等线路布局，并辅以中断触发形式，实现两条线路的时序同步，通过可调延迟器件实现两条线路的相位同步，保证了两条线路同步的精度。

3、通过可调检流电阻对两条线路的幅度差异进行调平，从而抑制工艺扰动带来的差异影响。

4、对模拟信号进行差分放大，有效降低示波器等设备带来的截断误差影响。

附图说明

图1是本发明采集系统的结构框图。

图2是采集单元的电路结构框图。

具体实施方式

实施例1：集成电路旁路信号差分放大采样系统。

如图1所示，本发明集成电路旁路信号差分放大采样系统包括控制单元7和采集单元8两部分。控制单元7通过第一数据接口18（图2）与采集单元8相接，用于控制采集单元8的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口14（图2）与上位机进行数据交互，将所采集的数字旁路信号发送给上位机。

控制单元7可以是单独的嵌入式板卡，如FPGA板卡等，也可将该部分电路与采集单元集成到同一板卡上。

如图2所示，采集单元8包括第一测试座9、第二测试座10、差分放大器11、带通滤波器12、模数转换器13和第二数据接口14等部分；第一测试座9用于插接被测集成电路芯片，第二测试座10用于插接安全芯片。

第一测试座9和第二测试座10可以是双列直插封装测试座，也可以是四边扁平封装测试座，还可以是两种不同测试座的集合体，从而兼容多种封装形式的集成电路。第一测试座9和第二测试座10共接同一套外围电路。外围电路包括电源电路15、时钟电路16、复位电路16、中断电路17和第一数据接口18。电源电路15为被测集成电路芯片和安全芯片提供低纹波直流电源；第一数据接口18可以采用串口或USB等形式。被测集成电路芯片和安全芯片共用时钟电路、复位电路和中断电路，使二者能够实现时序同步。为了保证两部分电路的严格同步，要求两部分电路的结构、布局应严格对称，两组线路应严格等宽、等长。

第一测试座9的地线与延迟电路19相接，以便进行两条线路相位差的调节，从而实现更高精度的同步。延迟电路19的输出端分两路，一路接差分放大器11的第一输入端，另一路接可调检流电阻21，用于调节两条线路的幅度差；可调检流电阻21的另一端接公共信号地。第二测试座10的地线分两路，一路接差分放大器11的第二输入端，另一路接精密检流电阻22，精密检流电阻的阻值小于可调检流电阻的最大阻值；精密检流电阻22的另一端分接公共信号地和第六接线端6。差分放大器11的输出端接带通滤波器12的输入端，带通滤波器12的输出端分两路，一路接第五接线端5，另一路接模数转换器13的输入端，模数转换器13的输出端与第二数据接口14相接。

在可调检流电阻21的一端接有第一接线端1，在可调检流电阻21的另一端接有第二接线端2；在精密检流电阻22的一端接有第三接线端3，在精密检流电阻22的另一端接有第四接线端4。第一接线端1和第三接线端3均为可跳线插头，以方便接入其它传感器（电磁、热、光等）获得的旁路信号。第二接线端2、第四接线端4和第六接线端6均与公共信号地直接相连，提供测试地线。第一接线端1和第三接线端3的输出分别接到差分放大器11的两个输入端。差分放大器11的增益一般大于50dB。第一接线端1和第三接线端3也可作为外部输出，直接连接示波器的差分探头，可用于原始信号的初步分析。第五接线端5可将带通滤波器12的信号输出，可接外部的示波器等测量设备，从而辅助分析旁路信号的特征。

带通滤波器12主要通过频段包括被测集成电路芯片的主频、倍频等频段。带通滤波器12的输出送入高精度的模数转换器13，进行模拟量到数字量的转换；其输出通过第二数据接口14与控制单元1相连，即可实现高精度数字化旁路信号的采样。

实施例2：集成电路旁路信号差分放大采样方法。

本发明集成电路旁路信号差分放大采样方法包括以下步骤：

a、设置图1和图2所示的一套集成电路旁路信号差分放大采样系统。

b、选择与被测集成电路芯片相同型号、相同批次的一个集成电路芯片，经过开片、逆向工程分析和逻辑测试，确定为安全芯片后，即可作为对比测试的安全芯片；将被测集成电路芯片插入第一测试座9，将安全芯片插入第二测试座10。

c、从可调检流电阻21两端的第一接线端1和第二接线端2引线，连接到示波器的一个通道，从精密检流电阻22两端的第三接线端3和第四接线端4引线，连接到示波器的另一个通道；给被测集成电路芯片和安全芯片加电，在空置状态下，通过调整可调检流电阻的阻值，由示波器对两个通道中输入的电压信号进行差分，使差分输出归零，由此完成被测集成电路芯片和安全芯片的静态功耗的差异调平操作，以消除集成电路生产工艺扰动所带来的偏差。

d、在被测集成电路芯片和安全芯片中烧写入相同的程序，并将待测指令/操作置于中断响应程序中，实现指令同步。

e、被测集成电路芯片和安全芯片同时开时运行同一等待程序，调节延迟电路19，直至差分放大器11的差分放大结果输出归零，从而实现精确的相位同步。

f、向被测集成电路芯片和安全芯片发送不同的处理数据，二者的指令/操作完全相同，差异仅在于数据不同；第一测试座9和第二测试座10输出的旁路信号直接送入差分放大器11进行差分放大，相同的旁路信号被差分放大器差分消除，由数据差异所对应的旁路信号得到放大，并输出给带通滤波器12，该旁路信号经带通滤波器12滤波后，送入模数转换器13转换成数字化旁路信号后，通过第二数据接口14传输到外部的数据采集设备，也可通过第二数据接口14经由控制单元7传送给上位机，从而得到高精度数字化的旁路信号。

Claims (4)

1.一种集成电路旁路信号差分放大采样系统，其特征是，包括控制单元和采集单元；

所述控制单元通过第一数据接口与所述采集单元相接，用于控制采集单元的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口与上位机进行数据交互，将所采集的数字旁路信号发送给上位机；

所述采集单元包括插接被测集成电路芯片用的第一测试座、插接安全芯片用的第二测试座、差分放大器、带通滤波器、模数转换器和第二数据接口；所述第一测试座和所述第二测试座共接同一套外围电路，所述外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、中断电路和第一数据接口；所述第一测试座的地线与延迟电路相接，所述延迟电路的输出端分两路，一路接所述差分放大器的第一输入端，另一路接可调检流电阻，所述可调检流电阻的另一端接公共信号地；所述第二测试座的地线分两路，一路接所述差分放大器的第二输入端，另一路接精密检流电阻，所述精密检流电阻的另一端分接公共信号地和第六接线端；所述差分放大器的输出端接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端分两路，一路接第五接线端，另一路接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与所述第二数据接口相接。

2.根据权利要求1所述的集成电路旁路信号差分放大采样系统，其特征是，在所述可调检流电阻的一端接有第一接线端，在所述可调检流电阻的另一端接有第二接线端；在所述精密检流电阻的一端接有第三接线端，在所述精密检流电阻的另一端接有第四接线端。

3.根据权利要求1所述的集成电路旁路信号差分放大采样系统，其特征是，所述第一测试座为双列直插封装测试座和/或四边扁平封装测试座；所述第二测试座为双列直插封装测试座和/或四边扁平封装测试座。

4.一种集成电路旁路信号差分放大采样方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置一套集成电路旁路信号差分放大采样系统；所述集成电路旁路信号差分放大采样系统包括控制单元和采集单元；

所述控制单元通过第一数据接口与所述采集单元相接，用于控制采集单元的采集过程，发出采集中断信号，调节延迟参数和滤波器参数，接收所采集的数字旁路信号，并通过第二数据接口与上位机进行数据交互，将所采集的数字旁路信号发送给上位机；

所述采集单元包括插接被测集成电路芯片用的第一测试座、插接安全芯片用的第二测试座、差分放大器、带通滤波器、模数转换器和第二数据接口；所述第一测试座和所述第二测试座共接同一套外围电路，所述外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、中断电路和第一数据接口；所述第一测试座的地线与延迟电路相接，延迟电路的输出端分两路，一路接所述差分放大器的第一输入端，另一路接可调检流电阻，所述可调检流电阻的另一端接公共信号地；所述第二测试座的地线分两路，一路接所述差分放大器的第二输入端，另一路接精密检流电阻，所述精密检流电阻的另一端分接公共信号地和第六接线端；所述差分放大器的输出端接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端分两路，一路接第五接线端，另一路接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端与所述第二数据接口相接；

b、选择与被测集成电路芯片相同型号、相同批次的一个集成电路芯片，经过开片、逆向工程分析和逻辑测试，确定为安全芯片后，即可作为对比测试的安全芯片；将被测集成电路芯片插入第一测试座，将安全芯片插入第二测试座；

c、从可调检流电阻两端引线连接到示波器的一个通道，从精密检流电阻两端引线连接到示波器的另一个通道；给被测集成电路芯片和安全芯片加电，在空置状态下，通过调整可调检流电阻的阻值，由示波器对两个通道中输入的电压信号进行差分，使差分输出归零，完成被测集成电路芯片和安全芯片的静态功耗的差异调平操作；

d、在被测集成电路芯片和安全芯片中写入相同的程序，并将待测指令/操作置于中断响应程序中，实现指令同步；

e、被测集成电路芯片和安全芯片同时开时运行同一等待程序，调节延迟电路，直至差分放大器的差分放大结果输出归零，从而实现精确的相位同步；

f、向被测集成电路芯片和安全芯片发送不同的处理数据，二者的指令/操作完全相同，差异仅在于数据不同；第一测试座和第二测试座输出的旁路信号直接送入差分放大器进行差分放大，相同的旁路信号被差分放大器差分消除，由数据差异所对应的旁路信号得到放大，并输出给带通滤波器，该旁路信号经带通滤波器滤波后，送入模数转换器转换成数字化旁路信号后，通过第二数据接口传输到外部的数据采集设备，从而得到高精度数字化的旁路信号。