CN110197086A - 一种集成电路旁路信号自差分放大采样方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路旁路信号自差分放大采样方法与系统，本发明对不同时间点测试向量激励下的待测集成电路芯片(Chip Under Test,CUT)所对应的旁路信号进行自差分放大，采用流水线延迟方式，对CUT 在某一激励下的模拟旁路信号进行延迟，并将其与后续某一时间点的激励所对应的旁路信号同步送入差分放大器。经差分放大后，进行模数转换，并将量化后的数字信号发送至主机，完成自差分旁路信号的采集。本发明可以抑制不同激励下CUT旁路信号中的共同分量，仅将差异分量进行放大，可以获得比通用示波器更高精度的旁路信号，支持模拟信号层面的自差分，可以有效抑制工艺噪声、环境噪声的干扰，能够有效提高硬件木马的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号采样技术，具体地说是一种集成电路旁路信号自差分放大采样方法与系统。
背景技术
集成电路（Integrated Circuit，IC）是完成信息处理的基本器件，广泛应用于军事、经济、交通等众多领域，其安全性直接影响整个系统的安全性。硬件木马是敌手对IC原始电路的恶意篡改，可导致武器系统失效、基础设施瘫痪、关键信息泄露等严重后果。硬件木马是敌手置于IC中的“后门”，可以轻易绕过现有的安全防护措施，使得其成为信息时代的“马其诺防线”。近年来，叙利亚雷达系统、波音787控制系统、军用网络系统等多个关键系统中发现了硬件木马，其安全威胁日益突出。
集成电路运行过程中会引起电流的波动，会产生电磁辐射，这些都是集成电路的旁路信号（Side Channel Signal，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紧密相关。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必然产生相应的变化。因此，对旁路信号的变化进行分析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，然而旁路信号采集受到噪声的严重干扰，其中工艺噪声、环境噪声、量化误差等方面的影响最为突出。随着硬件木马设计的不断改进，其旁路信号变得极为微弱，亟需研制专用采集设备。单门级硬件木马的旁路信号可能低至μV量级，很容易被工艺噪声、环境噪声、随机噪声等多种噪声所掩盖。如图3所示，针对环境噪声和工艺噪声干扰问题，现在已经提出了一种基于自差分分析的硬件木马检测方法，对寄存器传输级（Register Transfer Level，RTL）硬件木马具有较好的检测效果，然而对于更低设计层级（如版图级）的硬件木马则检测效果较差。关键原因在于，该方法对示波器采集得到的旁路信号进行自差分，示波器的量化误差（通常为8位分辨率，精度为mV量级）对较低设计层级硬件木马的微弱旁路信号采集造成了严重影响，甚至可能湮灭硬件木马的信号（单门硬件木马低至μV量级）。专利CN201610135409.3中针对金片和待测芯片（Chip UnderTest，CUT）的功耗信号研制了模拟信号同步差分放大系统，能够有效抑制电路中硬件木马以外的共同分量干扰，提高了旁路信号质量，但单是该系统无法对同一芯片进行自差分信号采集，无法抑制芯片之间工艺噪声的干扰。文献[1]提出了基于自差分分析的硬件木马检测方法,然而其进行自差分的信号仍通过传统示波器方式采集得到，即进行差分的信号为量化后的信号，通过数字方式进行差分。因此，量化过程中造成的信息丢失已然无法弥补，使得该方法难以应对版图级及更低设计层级的硬件木马检测。
[1]张阳，全厚德，李雄伟，陈开颜. 基于自差分分析的硬件木马检测研究[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）, 2019, 47(2): 98-102。
发明内容
本发明的目的就是提供一种集成电路旁路信号自差分放大采样方法与系统，以解决现有技术无法有效抑制芯片之间的工艺噪声、环境噪声的干扰，不能采集到高质量的旁路信号的问题。
本发明是这样实现的：一种集成电路旁路信号自差分放大采样方法，包括以下步骤：
a.使用激励电路向待测芯片CUT发送测试向量，对CUT进行激励，使CUT产生相应的旁路信号；
b.使用传感器采集CUT产生的旁路信号；
c.对传感器收集得到的旁路信号进行调整，使调整后的信号可以被后级电路所感应；
d.将不同时间点的激励所对应的旁路信号进行采样保持并进行流水传递，选取两组不同时间点的激励所对应的采样信号同时送入差分放大器；
e.使用差分放大器将两组采样保持信号同时进行差分放大；
f.将差分放大后的模拟信号由模数转换器准换成数字信号；
g.将数字信号发送至上位机进行后续处理。
其中，对旁路信号进行采集的传感器根据所采集的旁路信号的类型进行选择。
本发明还公布了一种集成电路旁路信号自差分放大采样系统，包括
硬件控制模块，由时钟电路、电源电路、复位电路、激励控制模块、同步调节模块、数据采集模块以及交互接口组成，用于接收主机的命令、向待测芯片CUT发送测试向量进行激励、控制自差分采集模块的采样过程以及读取数字化数据并将数据发送至上位主机；以及，
自差分采集模块，由依次连接的传感器模块、前端信号调理模块、多级采样保持模块、差分放大模块以及模数转换模块组成，用于采集待测芯片CUT产生的模拟旁路信号，将采集到的旁路信号依次进行调理、采样保持、流水传递以及差分放大后转化为数字信号，并将数字信号输送至硬件控制模块。
所述多级采样保持模块由所述同步调节模块控制，所述同步调节模块控制每一级采样保持的时间以及时间点的选取。
所述模数转换模块与所述数据采集模块相连接，数字信号通过所述数据采集模块发送至上位机。
本发明对不同时间点测试向量激励下的CUT所对应的旁路信号进行自差分放大，采用流水线延迟方式，对CUT 在某一激励下的模拟旁路信号进行延迟，并将其与后续某一时间点的激励所对应的旁路信号同步送入差分放大器。井差分放大后，进行模数转换，并将量化后的数字信号发送至主机，完成自差分旁路信号的采集。
本发明可以抑制不同激励下CUT旁路信号中的共同分量，仅将差异分量进行放大，可以获得比通用示波器更高精度的旁路信号，支持模拟信号层面的自差分，可以有效抑制工艺噪声、环境噪声的干扰，能够有效提高硬件木马的检测精度。
附图说明
图1是本发明集成电路旁路信号自差分放大采样系统的示意图。
图2是本发明多级采样保持模块的工作示意图。
图3是现有技术中旁路信号采样系统的示意图。
图中：1、主机；2、硬件控制模块；3、CUT；4、自差分采集模块；2-1、电源电路；2-2、时钟电路；2-3、复位电路；2-4、激励控制模块；2-5、同步调节模块；2-6、数据采集模块；2-7、交互接口；4-1、传感器模块；4-2、前端信号调理模块；4-3、多级采样保持模块；4-4、差分放大模块；4-5、模数转换模块。
具体实施方式
本发明的集成电路旁路信号自差分放大采样方法，包括以下步骤：
a.使用激励电路向待测芯片CUT发送测试向量，对CUT进行激励，使CUT产生相应的旁路信号；
b.使用传感器采集CUT产生的旁路信号；
c.对传感器收集得到的旁路信号进行调整，使调整后的信号可以被后级电路所感应；
d.将不同时间点的激励所对应的旁路信号进行采样保持并进行流水传递，选取两组不同时间点的激励所对应的采样信号同时送入差分放大器；
e.使用差分放大器将两组采样保持信号同时进行差分放大；
f.将差分放大后的模拟信号由模数转换器准换成数字信号；
g.将数字信号发送至上位机进行后续处理。
其中，对旁路信号进行采集的传感器根据所采集的旁路信号的类型进行选择。旁路信号的类型主要有功耗、电磁辐射、单光子辐射、热辐射以及路径延迟等多种类型，对于每一种类型的旁路信号应该采用相应的传感器，例如针对近场磁场辐射信号应该选择磁场探头。
对旁路信号进行调节时，主要是通过前置放大器与滤波器等对传感器模块采集到的微弱信号进行调整，从而使其能够被后级的电路所感应。
如图1所示，针对上述的方法本发明还公布了一种集成电路旁路信号自差分放大采样系统，包括硬件控制模块2以及自差分采集模块4。
其中，硬件控制模块2，由时钟电路2-2、电源电路2-1、复位电路2-3、激励控制模块2-4、同步调节模块2-5、数据采集模块2-6以及交互接口2-7组成。通过交互接口2-7接收主机1的命令，通过激励控制模块2-4向待测芯片CUT 3发送测试向量，使CUT产生相应的旁路信号，通过同步调节模块2-5控制自差分采集模块4的采样过程，并通过数据采集模块2-6读取来自自差分采集模块4的数字化数据并通过交互接口2-7将数据发送至上位主机1。
自差分采集模块4，由依次连接的传感器模块4-1、前端信号调理模块4-2、多级采样保持模块4-3、差分放大模块4-4以及模数转换模块4-5组成。通过传感器模块4-1采集待测芯片CUT3产生的模拟旁路信号，将采集到的旁路信号依次通过前端信号调理模块4-2进行调理、多级采样保持模块4-3进行采样保持、流水传递（如图2所示）以及差分放大模块4-4进行差分放大后再通过模数转换模块4-5转化为数字信号，并将数字信号输送至硬件控制模块2的数据采集模块2-6。
多级采样保持模块4-3由同步调节模块2-5控制，同步调节模块2-5控制每一级采样保持的时间以及时间点的选取。模数转换模块4-5与数据采集模块2-6相连接，数字信号通过数据采集模块2-6发送至上位机。
下面以8051微处理器中通用寄存器组植入的硬件木马检测为例介绍本发明的工作流程（其它集成电路硬件木马检测与之相类似，但需要根据电路结构选择适当的激励及旁路信号采样时机）：
1、针对该寄存器硬件木马检测，分别选择MOV Rn,#data指令和NOP指令，其中Rn 可在通用寄存器组中任选其一（0~7），#data为立即数，初始可设定为0。MOV指令可以调用通用寄存器组，从而对其形成有效激励，而NOP指令不会调用该器件。二者激励可以对可能存在的硬件木马形成较大的激励差异。
2、将两条指令依次送入CUT进行执行，由硬件控制模块根据CUT的执行状态选择旁路信号开始采集的时机，根据CUT的运行频率及运行特点选择信号流水传递的时机。以8051运行频率1MHz为例，则其每个周期间隔为1μs，则每级流水采样保持时间可设定为1μs。
3、根据CUT的运行特征及目标部件硬件木马的可能形式，选择适当的流水段进行差分放大。本案例中NOP为单周期指令，MOV为双周期指令（分别为取指段和执行段）。为了有效激励本次实验中对MOV指令的执行段和NOP指令进行差分放大。通过多路选择器选择满足要求的流水段信号送入差分放大器，之后进行模数转换，并经控制模块发送给主机，完成一次采样过程。
4、分析采集得到的旁路信号质量，满足分析要求则停机。否则，从步骤1开始重复本采集过程，直至完成CUT中给定模块的检测过程。仍以本案例为例，可以调整#data的数据，从而对数据激活型硬件木马产生更好的激励效果。
本发明对不同时间点测试向量激励下的CUT所对应的旁路信号进行自差分放大，采用流水线延迟方式，对CUT 在某一激励下的模拟旁路信号进行延迟，并将其与后续某一时间点的激励所对应的旁路信号同步送入差分放大器。经差分放大后，进行模数转换，并将量化后的数字信号发送至主机，完成自差分旁路信号的采集。
本发明可以抑制不同激励下CUT旁路信号中的共同分量，仅将差异分量进行放大，可以获得比通用示波器更高精度的旁路信号，支持模拟信号层面的自差分，可以有效抑制工艺噪声、环境噪声的干扰，能够有效提高硬件木马的检测精度。
Claims (5)
1.一种集成电路旁路信号自差分放大采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.使用激励电路向待测芯片CUT发送测试向量，对CUT进行激励，使CUT产生相应的旁路信号；
b.使用传感器采集CUT产生的旁路信号；
c.对传感器收集得到的旁路信号进行调整，使调整后的信号可以被后级电路所感应；
d.将不同时间点的激励所对应的旁路信号进行采样保持并进行流水传递，选取两组不同时间点的激励所对应的采样信号同时送入差分放大器；
e.使用差分放大器将两组采样保持信号同时进行差分放大；
f.将差分放大后的模拟信号由模数转换器准换成数字信号；
g.将数字信号发送至上位机进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的集成电路旁路信号自差分放大采样方法，其特征在于，对旁路信号进行采集的传感器根据所采集的旁路信号的类型进行选择。
3.一种集成电路旁路信号自差分放大采样系统，其特征在于，包括
硬件控制模块，由时钟电路、电源电路、复位电路、激励控制模块、同步调节模块、数据采集模块以及交互接口组成，用于接收主机的命令、向待测芯片CUT发送测试向量进行激励、控制自差分采集模块的采样过程以及读取数字化数据并将数据发送至上位主机；以及，
自差分采集模块，由依次连接的传感器模块、前端信号调理模块、多级采样保持模块、差分放大模块以及模数转换模块组成，用于采集待测芯片CUT产生的模拟旁路信号，将采集到的旁路信号依次进行调理、采样保持、流水传递以及差分放大后转化为数字信号，并将数字信号输送至硬件控制模块。
4.根据权利要求3所述的集成电路旁路信号自差分放大采样系统，其特征在于，所述多级采样保持模块由所述同步调节模块控制，所述同步调节模块控制每一级采样保持的时间以及时间点的选取。
5.根据权利要求3所述的集成电路旁路信号自差分放大采样系统，其特征在于，所述模数转换模块与所述数据采集模块相连接，数字信号通过所述数据采集模块发送至上位机。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20220415 |