CN111566492A - 电压攻击检测电路和芯片 - Google Patents

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Abstract

提供一种电压攻击检测电路和芯片。所述电压攻击检测电路包括至少一个电压调节电路、至少一个电压传感器和至少一个毛刺传感器；所述至少一个电压传感器分别用于接收所述至少一个电压调节电路输出的至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第一信号，所述至少一个第一信号分别用于指示是否受到攻击时长位于第一范围内且攻击力度位于第二范围内的电压攻击，所述至少一个毛刺传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第二信号，所述至少一个第二信号分别用于指示是否受到攻击时长位于第三范围内且攻击力度位于第四范围内的电压攻击。所述电压攻击检测电路不仅能够针对全电源域进行电压攻击防护，而且能够提高防护方案的可靠性。

Description

电压攻击检测电路和芯片
技术领域
本申请实施例涉及电子领域，并且更具体地，涉及电压攻击检测电路和含有或配备有该电压攻击检测电路的芯片。
背景技术
随着移动支付与交易得到广泛的普及，电子设备被越来越多的用于存储、处理、传输包含关键信息的数据。例如，安全芯片可以用于实现用户身份识别与关键数据存储等功能，其被广泛应用于金融领域。安全芯片作为安全硬件的基础，对信息安全起着至关重要的作用。近年来，越来越多的芯片级攻击方法与实例被公开，相应的，对芯片级的安全提出来越来越高的要求。
针对芯片级的攻击方式有多种，其中错误注入攻击最为有效。错误注入攻击的目的是迫使芯片执行一个非正常的操作，从而使得芯片中的安全信息暴露出来。此时，攻击者可以利用故障分析技术轻易获取安全芯片中的机密数据。错误注入攻击的方式有很多种，例如电压攻击、温度攻击、激光攻击、电磁攻击等。
针对电压攻击，通过改变芯片电源域的供电电压，使得芯片内部的电路工作发生异常，从而引起触发器进入错误状态，致使处理器跳过或执行错误的操作，以便芯片内的安全信息暴露出来。
通常情况下，芯片内部会被划分成多个不同的电源域，每个电源域虽然独立，但也存在一定的依赖与交互，因此每个电源域都必须被保护。换言之，芯片要构建一套完备的针对全电源域的电压攻击防护方案；此外，目前的电压的防攻击方案仅针对待检测电压的防护，其防护形式单一，且存在一定的防护盲区。
因此，针对电源攻击，提供一套完整且可靠的防护方案十分重要。
发明内容
提供一种电压攻击检测电路和芯片，不仅能够针对全电源域进行电压攻击防护，而且能够提高防护方案的可靠性。
第一方面，提供了一种电压攻击检测电路，包括：
至少一个电压调节电路；
所述至少一个电压调节电路均连接至外部电源，所述至少一个电压调节电路分别用于将所述外部电源转化为至少一个内部电源，所述至少一个内部电源分别用于输出至少一个第一电压；
至少一个电压传感器和至少一个毛刺传感器；
其中，所述至少一个电压传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第一信号，所述至少一个第一信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第一范围内且攻击力度位于第二范围内的电压攻击，所述至少一个毛刺传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第二信号，所述至少一个第二信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第三范围内且攻击力度位于第四范围内的电压攻击，所述第一范围的最小值大于或等于所述第三范围的最大值，所述第二范围的最大值的绝对值小于或等于所述第四范围的任意值的绝对值。
通过所述至少一个电压传感器，能够检测出攻击时长位于第一范围且攻击力度位于第二范围的电压攻击，通过所述至少一个毛刺传感器，能够检测出攻击时长位于第三范围且攻击力度位于第四范围的电压攻击，从攻击时长和攻击力度上，能够全方位的电压攻击防护，以提高电压攻击的防护方案的可靠性。
换言之，通过明确电压攻击的特性(即攻击时长和攻击力度)区分电压攻击类型，进而针对不同的电压攻击类型采用不同的防护措施(即电压传感器和毛刺传感器)进行电压攻击防护，以全方位覆盖针对每一个电源域(即每一个电压调节电路)的攻击手段，以构建全面、可靠的全电源域(即所述至少一个电压调节电路)的防攻击方案。
在一些可能的实现方式中，所述第一范围的最小值为0.1us。
在一些可能的实现方式中，所述第三范围为1ns～0.1us。
在一些可能的实现方式中，所述第二范围的最大值的绝对值和/或所述第四范围的最小值的绝对值，与所述外部电源的电压的绝对值成正比。
在一些可能的实现方式中，所述第二范围为-0.5*V～0.5*V，其中，V表示所述外部电源的电压值。
在一些可能的实现方式中，所述第四范围为0.5*V～V，和/或所述第四范围为-V～-0.5*V。
在一些可能的实现方式中，所述至少一个电压传感器分别连接至所述至少一个内部电源，以分别接收所述至少一个第一电压，所述至少一个电压传感器用于基于接收到的参考电压和所述至少一个第一电压输出所述至少一个第一信号。
在一些可能的实现方式中，所述电压攻击检测电路还包括：
外部电源电压传感器和外部电源毛刺传感器；
其中，所述外部电源用于输出第二电压，所述外部电源电压传感器连接至所述外部电源，所述外部电源电压传感器用于接收所述第二电压并输出第三信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第一范围内且攻击力度位于所述第二范围内的电压攻击；所述外部电源毛刺传感器连接至所述外部电源，所述外部电源毛刺传感器用于接收所述第二电压并输出第四信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第三范围内且攻击力度位于所述第四范围内的电压攻击。
在一些可能的实现方式中，所述至少一个电压调节电路中的每一个电压调节电路包括以下元件中的至少一项：低压差线性稳压器、电荷泵、降压式变化电路、升压式变化电路以及双向直流变换器。
在一些可能的实现方式中，所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器包括迟滞比较器。
第二方面，提供了一种芯片，包括：
电源管理单元；以及
第一方面或第一方面中任一种可能实现的方式中所述的电压攻击检测电路；其中，所述电源管理单元连接至所述电压攻击检测电路，所述电压攻击检测电路用于检测所述电源管理单元的电源电压是否受到电压攻击。
附图说明
图1是本申请实施例的电压攻击类型的示意图。
图2是本申请实施例的电压传感器和毛刺传感器与电压调节电路的位置关系的示意性结构图。
图3是本申请实施例的电压攻击检测电路的示意性结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1是本申请实施例的电压攻击类型的示意图。
如图1所示，定义了电压攻击的两个特性，即攻击力度V攻击和攻击时长t攻击。相应的，基于电压攻击的特性，将电压攻击分为第一类电压攻击和第二类电压攻击，其中，所述第一类电压攻击的V攻击小且t攻击大，第二类电压攻击的V攻击大且t攻击小。例如，所述第一类电压攻击可以是供电电压攻击(Supply Voltage Attack)，所述第二类电压攻击可以是毛刺攻击(Glitch Attack)。所述第一类电压攻击和所述第二类电压攻击都可以使芯片内部的电路工作发生异常，从而引起触发器进入错误状态，致使处理器跳过或执行错误的操作，使得芯片内的安全信息暴露出来。
基于电压攻击类型，本申请实施例中，针对所述第一类电压攻击可以采用电压传感器(Voltage Sensor)防护，针对第二类电压攻击可以利用毛刺传感器(Glitch Sensor)防护。
芯片会具有多个电源域(即内部电源)。例如，由电压调节电路(VoltageRegulator)将输入电压(Input Voltage)转变为输出电压(Output Voltage)，并向其他模块供电。当芯片中包含多个这样的电压调节电路时，便构成了复杂的、多样的电源域，每个电源域都需要由电压传感器和毛刺传感器来检测是否遭受电压攻击。
图2是本申请实施例的电压传感器和毛刺传感器与电压调节电路的位置关系的示意性结构图。
如图2所示，电压攻击检测电路100可以包括电压调节电路101、第一电压传感器102、第二电压传感器103、第一毛刺传感器104以及第二毛刺传感器105。
其中，所述第一电压传感器102和所述第一毛刺传感器104连接至所述电压调节电路101的输入端，所述第二电压传感器103和所述第二毛刺传感器105连接至所述电压调节电路101的输出端。相应的，所述第一电压传感器102和所述第二电压传感器103分别用于检测所述电压调节电路101的输入电压和输出电压，以检测所述电压调节电路101所在的电源域是否受到第一电压攻击类型的电压攻击。所述第一毛刺传感器104和所述第二毛刺传感器105分别用于检测所述电压调节电路101的输入电压和输出电压，以检测所述电压调节电路101所在的电源域是否受到第二电压攻击类型的电压攻击。
图3是本申请实施例的电压攻击检测电路的示意性结构图。
如图3所示，所述电压攻击检测电路200可以包括至少一个电压调节电路；例如，所述至少一个电压调节电路可以包括如图3所示的第一电压调节电路231、第二电压调节电路232、…、以及第N电压调节电路23N。所述至少一个电压调节电路均连接至外部电源(VDD)，所述至少一个电压调节电路分别用于将所述外部电源转化为至少一个内部电源；例如，所述至少一个内部电源可以包括如图2所示的内部电源V1、V2、…、以及VN，所述至少一个内部电源分别用于输出至少一个第一电压，用于给芯片内某个或某些模块进行供电。可选地，所述至少一个第一电压可以部分相等，也可以全部相等，还可以互不相等，本申请实施例对此不做具体限定。
当然，在其他可替代实施例中，所述电压攻击检测电路200还可以包括多个外部电源，此时，所述多个外部电源中的每一个外部电源可以为如图3所示的外部电源。换言之，所述多个外部电源可以分别连接至多个电压调节电路，所述多个电压调节电路中的每一个电压调节电路用于将其连接的外部电源转换成内部电源，所述多个电压调节电路中的每一个电压调节电路输出的第一电压可以连接至一个电压传感器和一个毛刺传感器，以便所述第一个电压传感器和第一个毛刺传感器进行电压攻击检测，相应的，在全电源域进行攻击防护。
如图3所示，所述电压攻击检测电路200还可以包括至少一个电压传感器；例如，所述电压攻击检测电路200还可以包括如图3所示的第一电压传感器241、第二电压传感器242、…、以及第N电压传感器24N。所述电压攻击检测电路200还可以包括至少一个毛刺传感器；例如，所述电压攻击检测电路200还可以包括如图3所示的第一毛刺传感器251、第二毛刺传感器252、…、以及第N毛刺传感器25N。其中，所述至少一个电压传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第一信号，所述至少一个第一信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第一范围内且攻击力度位于第二范围内的电压攻击，所述至少一个毛刺传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第二信号，所述至少一个第二信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第三范围内且攻击力度位于第四范围内的电压攻击，所述第一范围的最小值大于或等于所述第三范围的最大值，所述第二范围的最大值的绝对值小于或等于所述第四范围的任意值的绝对值。
通过所述至少一个电压传感器，能够检测出攻击时长位于第一范围且攻击力度位于第二范围的电压攻击，通过所述至少一个毛刺传感器，能够检测出攻击时长位于第三范围且攻击力度位于第四范围的电压攻击，从攻击时长和攻击力度上，能够全方位的电压攻击防护，以提高电压攻击的防护方案的可靠性。
换言之，通过明确电压攻击的特性(即攻击时长和攻击力度)区分电压攻击类型，进而针对不同的电压攻击类型采用不同的防护措施(即电压传感器和毛刺传感器)进行电压攻击防护，以全方位覆盖针对每一个电源域(即每一个电压调节电路的输出电压)的攻击手段，以构建全面、可靠的全电源域(即所述至少一个电压调节电路)防攻击方案。
下面结合表1对电压传感器和毛刺传感器的防护范围进行说明。
表1电压传感器和毛刺传感器的防护范围
Figure BDA0002566893440000061
如表1所示，在本申请的一些实施例中，所述第一范围的最小值为0.1微秒(us)。换言之，所述第一范围为0.1us～+∞。其中，Vattack可以是直流电压值，tattack用于表示电压的持续时间。例如，所述第三范围为1纳秒(ns)～0.1微秒(us)。所述第二范围为-0.5*V～0.5*V，其中，V表示所述外部电源的电压值。换言之，所述第四范围为0.5*V～V，和/或所述第四范围为-V～-0.5*V。
应理解，本领域技术人员可以基于实际情况进行调整所述第一范围、第二范围、第三范围以及第四范围中的任一个。例如，毛刺传感器用于检测攻击时长越大的电压攻击时，所需的电阻电容值越大，相应的，所需的版图面积和功耗也越大，即毛刺传感器用于检测攻击时长越小的电压攻击时，所需的版图面积和功耗越小，本领域技术人员可以基于毛刺传感器的实际配置或版图面积和功耗的实际需求进行调整所述第三范围和所述第四范围。类似地，本领域技术人员也可以根据电压传感器的实际配置或实际需求，调整所述第一范围和所述第二范围。
类似地，表1所示的第一范围和第三范围以0.1us进行区分以及所述第二范围和所述第四范围以±0.5*V区分仅为示例，本申请实施例对此不做具体限定。
例如，所述第二范围的最大值的绝对值和/或所述第四范围的最小值的绝对值，与所述外部电源的电压的绝对值成正比。例如，所述第二范围的最大值的绝对值和/或所述第四范围的最小值的绝对值可以是所述外部电源的电压的绝对值和预设百分比的乘积。例如，所述第二范围和所述第四范围可以以所述外部电源的电压的20％进行区分，即所述第二范围为-0.2*V～0.2*V。所述第四范围为0.2*V～V，和/或所述第四范围为-V～-0.2*V。
在本申请的一些实施例中，所述至少一个电压传感器分别连接至所述至少一个内部电源，以分别接收所述至少一个第一电压，所述至少一个电压传感器用于基于接收到的参考电压和所述至少一个第一电压输出所述至少一个第一信号。
例如，所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器可以用于根据接收到的第一电压和接收到的第一参考信号输出第一信号分量，所述第一信号分量用于指示接收到的第一电压是否大于或等于所述第一参考电压；所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器还可以用于根据接收到的第一电压和接收到的第二参考电压并输出第二信号分量，所述第二信号分量可以用于指示所述第二电压是否小于或等于所述第二参考电压，所述第一参考电压大于所述第二参考电压。
应理解，本申请实施例中的毛刺传感器可以是任意能够用于检测第二类电压攻击的传感器。例如，所述毛刺传感器可以包括锁存器的传感器。
如图3所示，在本申请的一些实施例中，所述电压攻击检测电路还包括：
外部电源电压传感器210和外部电源毛刺传感器220；
其中，所述外部电源用于输出第二电压，所述外部电源电压传感器210连接至所述外部电源，所述外部电源电压传感器210用于接收所述第二电压并输出第三信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第一范围内且攻击力度位于所述第二范围内的电压攻击；所述外部电源毛刺传感器220连接至所述外部电源，所述外部电源毛刺传感器220用于接收所述第二电压并输出第四信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第三范围内且攻击力度位于所述第四范围内的电压攻击。
换言之，可以为外部电源配置专属的一个电压传感器和毛刺传感器。
在本申请的一些实施例中，所述至少一个电压调节电路中的每一个电压调节电路包括以下元件中的至少一项：
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)、电荷泵(Charge Pump)、降压式变化电路(BUCK)、升压式变化电路(Boost)、双向直流变换器(Direct current-Directcurrent converter，DC-DC converter)等能够提供稳定输出电压的电路。
在本申请的一些实施例中，所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器包括迟滞比较器。
应理解，图1至图3仅为本申请的示例，不应理解为对本申请的限制。
例如，在其他实施例中，所述电压攻击检测电路200还可以包括参考电压生成电路，所述参考电压生成电路用于生成参考电压，所述参考电压生成电路分别连接至所述至少一个电压传感器和所述至少一个毛刺传感器，以便所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器基于接收到的参考电压和接收到的第一电压输出第一信号，以及所述至少一个毛刺传感器中的每一个毛刺传感器基于接收的参考电压和接收到的第一电压输出第二信号。
又例如，在其他实施例中，所述电压攻击检测电路200还可以包括参考电压检测电路，与所述参考电压生成电路相连，用于检测所述参考电压是否存在异常，进而生成指示信号并输出至所述至少一个电压传感器和所述至少一个毛刺传感器。例如，在所述指示信号指示所述参考电压存在异常时，即便所述至少一个第一信号分别用于指示所述至少一个内部电源受到攻击时长位于第一范围内且攻击力度位于第二范围内的电压攻击，将将其复位为指示所述至少一个内部电源未受到电压攻击。
又例如，在其他实施例中，所述电压攻击电路200还可以包括毛刺信号检测电路，与所述参考电压生成电路，以消除所述参考电压上的毛刺，进而提升所述指示信号的准确度。
本申请还提供了一种芯片，所述包括电源管理单元以及上文所述的电压攻击检测电路；其中，所述电源管理单元连接至所述电压攻击检测电路，所述电压攻击检测电路用于检测所述电源管理单元的电源电压是否受到电压攻击。
换言之，所述电压攻击检测电路可以适用于任意一种具有电源管理单元的芯片。例如安全芯片。例如，所述安全芯片可以是指纹传感器芯片或者处理器芯片等等。所述安全芯片适用于任意一种电子设备。例如，智能手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(Automated Teller Machine，ATM)等其他电子设备。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种电压攻击检测电路，其特征在于，包括：
至少一个电压调节电路；
所述至少一个电压调节电路均连接至外部电源，所述至少一个电压调节电路分别用于将所述外部电源转化为至少一个内部电源，所述至少一个内部电源分别用于输出至少一个第一电压；
至少一个电压传感器和至少一个毛刺传感器；
其中，所述至少一个电压传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第一信号，所述至少一个第一信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第一范围内且攻击力度位于第二范围内的电压攻击，所述至少一个毛刺传感器分别用于接收所述至少一个第一电压并分别用于输出至少一个第二信号，所述至少一个第二信号分别用于指示所述至少一个内部电源是否受到攻击时长位于第三范围内且攻击力度位于第四范围内的电压攻击，所述第一范围的最小值大于或等于所述第三范围的最大值，所述第二范围的最大值的绝对值小于或等于所述第四范围的任意值的绝对值。
2.根据权利要求1所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述第一范围的最小值为0.1us。
3.根据权利要求1或2所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述第三范围为1ns～0.1us。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述第二范围的最大值的绝对值和/或所述第四范围的最小值的绝对值，与所述外部电源的电压的绝对值成正比。
5.根据权利要求4所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述第二范围为-0.5*V～0.5*V，其中，V表示所述外部电源的电压值。
6.根据权利要求4所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述第四范围为0.5*V～V，和/或所述第四范围为-V～-0.5*V。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述至少一个电压传感器分别连接至所述至少一个内部电源，以分别接收所述至少一个第一电压，所述至少一个电压传感器用于基于接收到的参考电压和所述至少一个第一电压输出所述至少一个第一信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述电压攻击检测电路还包括：
外部电源电压传感器和外部电源毛刺传感器；
其中，所述外部电源用于输出第二电压，所述外部电源电压传感器连接至所述外部电源，所述外部电源电压传感器用于接收所述第二电压并输出第三信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第一范围内且攻击力度位于所述第二范围内的电压攻击；所述外部电源毛刺传感器连接至所述外部电源，所述外部电源毛刺传感器用于接收所述第二电压并输出第四信号，所述第三信号用于指示所述第二电压是否受到攻击时长位于所述第三范围内且攻击力度位于所述第四范围内的电压攻击。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述至少一个电压调节电路中的每一个电压调节电路包括以下元件中的至少一项：低压差线性稳压器、电荷泵、降压式变化电路、升压式变化电路以及双向直流变换器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电压攻击检测电路，其特征在于，所述至少一个电压传感器中的每一个电压传感器包括迟滞比较器。
11.一种芯片，其特征在于，包括：
电源管理单元；以及
根据权利要求1至10中任一项所述的电压攻击检测电路；
其中，所述电源管理单元连接至所述电压攻击检测电路，所述电压攻击检测电路用于检测所述电源管理单元的电源电压是否受到电压攻击。
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