CN118296662A - 用来侦测物理攻击的防窜改侦测器以及方法 - Google Patents

用来侦测物理攻击的防窜改侦测器以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用来侦测一物理攻击的防窜改侦测器以及方法，其中所述防窜改侦测器包含一温度感测器、一电压侦测器、一频率侦测器以及一控制器。具体来说，所述温度感测器是用来依据一运作温度产生一温度码，所述电压侦测器是用来依据一供应电压以及所述温度码产生一电压码，所述频率侦测器是用来依据一系统时钟、所述温度码以及所述电压码产生一频率码，以及所述控制器是用来依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果。尤其，所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。透过上述机制，整体系统的运作情况可被妥善地监控，从而确保各种物理攻击都能被侦测。

Description

用来侦测物理攻击的防窜改侦测器以及方法
技术领域
本发明是关于防窜改电路，尤指一种用来侦测一物理攻击的防窜改侦测器以及方法。
背景技术
目前已知的电路攻击手段包含有多种类型的物理攻击，诸如电压攻击、电压假信号(voltage glitch)攻击、频率攻击、时钟假信号(clock glitch)攻击、温度攻击等等。举例来说，有心人士可将位准过高的电源(overpowered)或位准过低的电源(underpowered)供应给晶片，以使得晶片的行为异常，或者在电源线注入正脉波或负脉波，以在特定的时间点使得晶片故障或操作异常。另外，有心人士可将晶片超频(overclocking)或降频(underclocking)，以使得晶片的行为异常，或者对晶片的时钟信号注入正脉波或负脉波，以在特定的时间点使得晶片故障或操作异常。另外，有心人士可改变晶片的环境温度，以使得晶片的行为异常。
为了防止晶片因为上述物理攻击而导致晶片内的数据被窜改或窃取，相关技术中典型地会设置相关的侦测电路，并且在侦测到物理攻击时通知系统以进行进一步的处理。然而，这些侦测电路典型地是以模拟电路或混合信号电路来实施，因此会花费大量的成本来校准这些模拟电路或混合信号电路。此外，相关技术中的侦测机制典型地受到多个因素影响(例如同时受到温度及电压影响)，因此较难以正确地侦测到上述不同类型的物理攻击。
因此，需要一种新颖的架构以及相关方法解决相关技术的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用来侦测一物理攻击的防窜改侦测器以及方法，使得所述防窜改侦测器能在没有副作用或较不会带来副作用的情况下判断晶片的实际运作情况，诸如运作温度、供应电压、系统时钟的频率等等，以供晶片因应上述物理攻击启动相关防卫机制。
本发明至少一实施例提供一种用来侦测一物理攻击的防窜改侦测器。所述防窜改侦测器包含一温度感测器、一电压侦测器、一频率侦测器以及一控制器，其中所述电压侦测器耦接至所述温度感测器，所述频率侦测器耦接至所述温度感测器以及所述电压侦测器，以及所述控制器耦接至所述温度感测器、所述电压侦测器以及所述频率侦测器。具体来说，所述温度感测器是用来依据一运作温度产生一温度码，所述电压侦测器是用来依据一供应电压以及所述温度码产生一电压码，所述频率侦测器是用来依据一系统时钟、所述温度码以及所述电压码产生一频率码，以及所述控制器是用来依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果。尤其，所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
本发明至少一实施例提供一种用来侦测一物理攻击的方法。所述方法包含：依据一正比于绝对温度(Proportional To Absolute Temperature,PTAT)的振荡器输出的一第一时钟以及一第一校准映射信息产生一温度码，其中所述温度码代表一运作温度；依据一压控振荡器输出的一第二时钟、所述温度码以及一第二校准映射信息产生一电压码，其中所述电压码代表一供应电压；依据一参考振荡器输出的一第三时钟、所述温度码、所述电压码以及一第三校准映射信息产生一频率码，其中所述频率码代表一系统时钟的频率；以及利用一控制器依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果，其中所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
本发明的实施例提供的防窜改侦测器以及相关方法利用多个振荡器来侦测温度、电压、频率等晶片的运作情况，因此可避免以模拟信号来代表上述信息。此外，在取得温度信息后，本发明是基于所述温度信息进一步侦测电压；并且在取得电压信息后，再进一步基于所述温度信息以及所述电压信息侦测频率。因此，整体系统的运作情况可被妥善地监控，从而确保各种类型的物理攻击都能被侦测到。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的一防窜改侦测器的示意图。
图2为依据本发明一实施例的一温度感测器的相关细节的示意图。
图3为依据本发明一实施例的一电压侦测器的相关细节的示意图。
图4为依据本发明一实施例的一电压假信号侦测器的相关细节的示意图。
图5为依据本发明一实施例的侦测一供应电压上的电压假信号的示意图。
图6为依据本发明一实施例的一频率侦测器的相关细节的示意图。
图7为依据本发明一实施例的一时钟假信号侦测器的相关细节的示意图。
图8为依据本发明一实施例的侦测一系统时钟上的时钟假信号的示意图。
图9为依据本发明另一实施例的侦测一系统时钟上的时钟假信号的示意图。
图10为依据本发明一实施例的一频率至数字转换器的相关细节的示意图。
图11为依据本发明一实施例的一种用来侦测一物理攻击的方法的工作流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 防窜改侦测器
100 控制器
110 温度感测器
120 电压侦测器
130 频率侦测器
140 电压假信号侦测器
150 时钟假信号侦测器
160 单调计数器
170 熵提取器
Tcode 温度码
Vcode 电压码
Fcode 频率码
Vglitch 电压假信号侦测结果
Cglitch 时钟假信号侦测结果
AGEcode 老化信息
REStamper 防窜改侦测结果
BITentropy 熵输出
111 正比于绝对温度的振荡器
112 频率至数字转换器
113 编码器
114 一次性可编程存储装置(OTP)
VPTAT 正比于绝对温度的电压
VDD 供应电压
CLKPTAT 正比于绝对温度的时钟
CLKSYS 系统时钟
Tcode0 数字码
Tmap 校准映射信息
121 压控振荡器
122 频率至数字转换器
123 编码器
124 一次性可编程存储装置(OTP)
CLKVCO 压控时钟
Vcode0 数字码
Vmap 校准映射信息
141 寄存器
142 比较器
Vcode’ 温度码
D0,D1,D2 值
131 参考振荡器
132 频率至数字转换器
133 编码器
134 一次性可编程存储装置(OTP)
CLKREF 参考时钟
Fcode0 数字码
Fmap 校准映射信息
151p,151n 计数器
152p,152n 寄存器
153p,153n 比较器
154 或逻辑
Dp,DP’,Dn,Dn’ 计数结果
Cgp,Cgn: 假信号侦测结果
Dp0,Dp1,Dn0,Dn1 值
S10,S20,S30,S40 步骤
具体实施方式
图1为依据本发明一实施例的一防窜改侦测器10的示意图，其中防窜改侦测器10是用来侦测一物理攻击诸如电压攻击、电压假信号(或称突波、毛刺)攻击、频率攻击、时钟假信号攻击、温度攻击等等。如图1所示，防窜改侦测器可包含一温度感测器110、一电压侦测器120、一频率侦测器130以及一控制器100，其中电压侦测器120耦接至温度感测器110，频率侦测器130耦接至温度感测器110以及电压侦测器120，以及控制器100耦接至温度感测器110、电压侦测器120以及频率侦测器130。在本实施例中，温度感测器110可依据一运作温度产生一温度码Tcode，电压侦测器120可依据一供应电压以及温度码Tcode产生一电压码Vcode，频率侦测器130可依据一系统时钟、温度码Tcode以及电压码Vcode产生一频率码Fcode，以及控制器100可依据温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode产生一防窜改侦测结果REStamper，其中防窜改侦测结果REStamper可指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
举例来说，包含有防窜改侦测器10的晶片的运作状况是预设为所述运作温度在一温度范围内、所述供应电压在一电压范围内、以及所述系统时钟的频率在一频率范围内，其中防窜改侦测器10可侦测所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者(例如每一者)是否在一特定运作范围以产生防窜改侦测结果REStamper。控制器100可具有一内建的存储装置以存储一特定的运作范围(operation range)，如对应于所述温度范围的一温度码范围、对应于所述电压范围的一电压码范围、以及对应于所述频率范围的一频率码范围。控制器100可判断温度码Tcode是否落在所述温度码范围内，判断电压码Vcode是否落在所述电压码范围内，以及判断频率码Fcode是否落在所述频率码范围内。换句话说，一旦所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者没有落在特定的运作范围内，则被判定已遭受所述物理攻击，防窜改侦测结果REStamper同时也被产生。
另外，防窜改侦测器10可另包含一单调(monotonic)计数器160，其中单调计数器160耦接至控制器100，并且可计数防窜改侦测器10(或者包含有防窜改侦测器10的晶片)的累积运作时间以产生老化信息AGEcode。举例来说，在防窜改侦测器10第一次上电时，单调计数器160可依据这次上电后的运作时间将老化信息AGEcode自一初始值(例如零)递增至一第一累积数值。在防窜改侦测器10第二次上电时，单调计数器160可依据这次上电后的运作时间将老化信息AGEcode自所述第一累积数值递增至一第二累积数值。依此类推，老化信息AGEcode会在防窜改侦测器10运作的期间持续地递增且不会因为断电而被复位，因此老化信息AGEcode可代表防窜改侦测器10(或者包含有防窜改侦测器10的晶片)的使用时间情况。在实作中，防窜改侦测器10内的元件可能因为老化等因素而使得运作状况随着时间逐渐地偏离初始状况。因此，控制器100可依据单调计数器160产生的老化信息AGEcode校准上述特定运作范围，例如可依据老化信息AGEcode控制或校准对应于温度码Tcode的所述温度码范围、对应于电压码Vcode的所述电压码范围、以及对应于频率码Fcode的所述频率码范围中的任一者(或每一者)，以在考量到元件老化的因素的情况下妥善地判断所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
在本实施例中，防窜改侦测器10可另包含一电压假信号侦测器140，其中电压假信号侦测器140耦接至电压侦测器120。例如，电压假信号侦测器140可侦测电压码Vcode的变化以产生一电压假信号侦测结果Vglitch，其中控制器100可另依据电压假信号侦测结果Vglitch判断所述供应电压是否因为所述物理攻击而出现电压假信号。
在本实施例中，防窜改侦测器10可另包含一时钟假信号侦测器150，其中时钟假信号侦测器150耦接至频率侦测器130。例如，时钟假信号侦测器150可侦测所述系统时钟的频率的变化以产生一时钟假信号侦测结果Cglitch，其中控制器100可另依据时钟假信号侦测结果Cglitch判断所述系统时钟是否因为所述物理攻击而出现时钟假信号。
在实作上，当温度感测器110、电压侦测器120以及频率侦测器130是以高解析度的数字信号来代表侦测到的所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的频率时(例如当温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的比特(bit)数极多时)，即使在没有遭遇物理攻击的情况下，温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的最低有效比特仍然可能因为噪声等因素而反复地变化。因此，控制器100可先将温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的最低有效比特舍弃，并且仅依据剩余的比特判断防窜改侦测器10(或者包含有防窜改侦测器10的晶片)是否遭遇所述物理攻击。此外，防窜改侦测器100可另包含一熵提取器170，其中熵提取器170耦接至温度感测器110、电压侦测器120以及频率侦测器130。基于上述温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的最低有效比特容易受到噪声扰动的特性，熵提取器170可依据温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的最低有效比特产生一熵输出BITentropy，其中熵输出BITentropy可为依据温度码Tcode、电压码Vcode以及频率码Fcode的每一者的最低有效比特透过杂凑、收集、排列等运作产生的一或多个熵比特，但本发明不限于此。
图2为依据本发明一实施例的一温度感测器110的相关细节的示意图。如图2所示，温度感测器110可包含正比于绝对温度的(Proportional To Absolute Temperature，简称PTAT)振荡器111、一频率至数字转换器112、一存储装置诸如一次性可编程(one-timeprogrammable，简称OTP)存储装置114、以及一编码器113，其中频率至数字转换器112耦接至PTAT振荡器111，以及编码器113耦接至频率至数字转换器112以及OTP存储装置114。在本实施例中，PTAT振荡器111可输出一PTAT时钟CLKPTAT，其中PTAT时钟CLKPTAT的频率是依据当时的运作温度决定。在本实施例中，PTAT振荡器111的电源是由供应电压VDD来提供，其中供应电压VDD可为图1的实施例所述的供应电压的例子。详细来说，PTAT振荡器111可包含一压控电流源，以及PTAT时钟CLKPTAT的频率是由所述压控电流源的电流来决定，而不受供应电压VDD的变化影响，其中所述压控电流源的电流是由PTAT电压VPTAT控制，且PTAT电压VPTAT的变化可正比于绝对温度的变化。因此，所述运作温度的变化的信息可在不受供应电压VDD的变化的干扰或是较不容易受供应电压VDD的变化的干扰的情况下藉由侦测PTAT时钟CLKPTAT的频率来取得。例如，频率至数字转换器112可对PTAT时钟CLKPTAT的频率进行频率至数字转换，以产生对应于所述运作温度的一数字码Tcode0。
在实作上，PTAT振荡器111以及频率至数字转换器112的运作可因为工艺(或称制造)变异(process variation)而使得不同晶片在相同温度下输出不同的数字码Tcode0。为了克服因工艺变异造成无法正确读取所述运作温度，在出厂前的测试阶段就会依所述晶片的工艺条件(例如所述晶片所属的工艺角(process corner)，诸如慢工艺角(SS corner)、快工艺角(FF corner)、典型工艺角(TT corner)等等)并将对应所述工艺条件的数字码Tcode0与温度码Tcode之间的校准映射信息Tmap写入至OTP存储装置114(标示为“温度映射(OTP)”以便于理解)，而编码器113接收数字码Tcode0后再依据OTP存储装置114存储的校准映射信息Tmap产生温度码Tcode。如此一来，经由校准，在不受工艺的干扰下，输出的温度码Tcode可正确用来代表所述运作温度。
图3为依据本发明一实施例的一电压侦测器120的相关细节的示意图。如图3所示，电压侦测器120可包含一压控振荡器121、一频率至数字转换器122、一存储装置诸如OTP存储装置124、以及一编码器123，其中频率至数字转换器122耦接至压控振荡器121，以及编码器123耦接至频率至数字转换器122以及OTP存储装置124。在本实施例中，压控振荡器121可输出一压控时钟CLKVCO，其中压控时钟CLKVCO的频率是依据供应电压VDD被决定。举例来说，PTAT电压VPTAT的变化可与压控时钟CLKVCO的频率的变化成正相关，因此供应电压VDD的变化的信息可藉由侦测PTAT时钟CLKPTAT的频率来取得。例如，频率至数字转换器122可对压控时钟CLKVCO的频率进行频率至数字转换，以产生对应于供应电压VDD的一数字码Vcode0。
在实作上，除了工艺变异的因素外，压控振荡器121也会受到所述运作温度的影响。因此，为了克服因工艺及温度因素造成无法正确读取所述运作电压，在出厂前的测试阶段就会依所述晶片的工艺条件(例如所述晶片所属的工艺角，诸如慢工艺角、快工艺角、典型工艺角等等)并将对应所述工艺条件的校准映射信息Vmap写入至OTP存储装置124(标示为“电压映射(OTP)”以便于理解)。校准映射信息Vmap是包含在多个运作温度下，数字码Vcode0与电压码Vcode的电压-数字映射关系。所以，当编码器123接收数字码Vcode0及温度码Tcode后，首先根据温度码Tcode从校准映射信息Vmap中选择相对应的特定校准映射信息，并且依据所述特定校准映射信息以及数字码Vcode0产生电压码Vcode。如此一来，经由校准，在不受工艺及温度变异的干扰下，输出的电压码Vcode可正确用来代表供应电压VDD的电压位准。
图4为依据本发明一实施例的一电压假信号侦测器140的相关细节的示意图。如图4所示，电压假信号侦测器140可包含一寄存器141以及一比较器142，其中比较器142耦接至寄存器141。在本实施例中，电压码Vcode在系统时钟CLKSYS的一先前周期的期间具有一先前值，以及电压码Vcode在系统时钟CLKSYS的一目前周期的期间具有一目前值，其中寄存器141可存储电压码Vcode的所述先前值，而比较器142可比较电压码Vcode的所述先前值以及所述目前值，以产生电压假信号侦测结果Vglitch。例如，在所述目前周期时，电压侦测器120输出的电压码Vcode可代表电压码Vcode的所述目前值，而寄存器141输出的电压码Vcode’可代表电压码Vcode的所述先前值。当比较器142侦测到电压码Vcode与电压码Vcode’之间的差值大于一预定阈值时，比较器142可将电压假信号侦测结果Vglitch拉至逻辑值“1”，以将供应电压VDD具有电压假信号的状况回报给控制器100。
图5为依据本发明一实施例的侦测供应电压VDD上的电压假信号的示意图。如图5所示，当供应电压VDD稳定的维持在一预定位准时，电压侦测器120输出的电压码Vcode的值为D0。当供应电压VDD出现正电压假信号时，压控振荡器121的频率会改变而使得电压侦测器120输出的电压码Vcode的值改变(例如自D0变为D1)，而电压假信号侦测器140可因应电压码Vcode的值的变化将电压假信号侦测结果Vglitch自逻辑值“0”拉至逻辑值“1”。当供应电压VDD出现负电压假信号时，压控振荡器121的频率会改变而使得电压侦测器120输出的电压码Vcode的值改变(例如自D0变为D2)，而电压假信号侦测器140可因应电压码Vcode的值的变化将电压假信号侦测结果Vglitch自逻辑值“0”拉至逻辑值“1”。
需注意的是，频率至数字转换器112及122均是基于系统时钟CLKSYS进行频率至数字转换。例如，频率至数字转换器112可藉由计数PTAT振荡器111在系统时钟CLKSYS界定的一时间区间内(例如在系统时钟CLKSYS界定的一个周期内)的周期数来产生数字码Tcode0，因此，在某些情况下，即使所述运作温度以及系统时钟CLKSYS的频率均因为所述物理攻击而发生变化，但温度感测器110输出的温度码Tcode仍维持不变或是维持在所述温度码范围内，这使得控制器100无法侦测到所述运作温度的改变。又例如，频率至数字转换器122可藉由计数压控振荡器121在系统时钟CLKSYS界定的一时间区间内(例如在系统时钟CLKSYS界定的一个周期内)的周期数来产生数字码Vcode0，因此，在某些情况下，即使供应电压VDD的电压位准以及系统时钟CLKSYS的频率均因为所述物理攻击而发生变化，但电压侦测器120输出的电压码Vcode仍维持不变或是维持在所述电压码范围内，这使得控制器100无法侦测到供应电压VDD的电压位准的改变。
因此，本发明能利用频率侦测器130监控系统时钟CLKSYS的频率，以避免上述情况发生。图6为依据本发明一实施例的一频率侦测器130的相关细节的示意图。如图6所示，频率侦测器130可包含一参考振荡器131、一频率至数字转换器132、一存储装置诸如OTP存储装置134、以及一编码器133，其中频率至数字转换器132耦接至参考振荡器131，以及编码器133耦接至频率至数字转换器132以及OTP存储装置134。在本实施例中，参考振荡器131可输出一参考时钟CLKREF，其中参考时钟CLKREF的频率大于系统时钟CLKSYS的频率。另外，频率至数字转换器132可依据系统时钟CLKSYS以及参考时钟CLKREF产生对应于系统时钟CLKSYS的一数字码Fcode0。因此，系统时钟CLKSYS的变化可藉由监控数字码Fcode0被侦测到。
在实作上，除了上述工艺变异的因素外，参考振荡器131也会受到所述运作温度以及供应电压VDD的影响。因此，为了克服因工艺、温度及供应电压因素造成无法正确读取所述运作频率，在出厂前的测试阶段就会依所述晶片的工艺条件(例如所述晶片所属的工艺角，诸如慢工艺角、快工艺角、典型工艺角等等)，将对应所述工艺条件的校准映射信息Fmap写入至OTP存储装置134(标示为“频率映射(OTP)”以便于理解)。校准映射信息Fmap是包含在多个运作温度与供应电压VDD下数字码Fcode0与频率码Fcode的频率-数字映射关系。所以，当编码器133接收数字码Fcode0、温度码Tcode及电压码Vcode后，首先编码器133依据温度码Tcode以及电压码Vcode选择相对应的特定校准映射信息，并且依据所述特定映射信息以及数字码Fcode0产生频率码Fcode。如此一来，经由校准，在不受工艺及温度及电压变异的干扰下，频率码Fcode可正确用来代表系统时钟CLKSYS的频率。
图7为依据本发明一实施例的一时钟假信号侦测器150的相关细节的示意图。如图7所示，时钟假信号侦测器150可包含一计数器151p、一寄存器152p、一比较器153p、一计数器151n、一寄存器152n、一比较器153n以及一或逻辑(OR logic)门154(在图7中标示为“或逻辑”以求简明)。在本实施例中，计数器151p可计数参考时钟CLKREF在系统时钟CLKSYS为一逻辑高状态(诸如逻辑值“1”)的期间内的周期数，以产生并传送一计数结果Dp至寄存器152p，其中计数结果Dp在系统时钟CLKSYS的一先前周期的期间具有一第一先前值，以及计数结果Dp在系统时钟CLKSYS的一目前周期的期间具有一第一目前值。比较器153p可比较计数结果Dp的所述第一先前值以及所述第一目前值，以产生正时钟假信号侦测结果Cgp。例如，在系统时钟CLKSYS的所述目前周期时，计数器151p输出的计数结果Dp可代表计数结果Dp的所述第一目前值，而寄存器152p输出的计数结果Dp’可代表计数结果Dp的所述第一先前值。另外，计数器151n可计数参考时钟CLKREF在系统时钟CLKSYS为一逻辑低状态(诸如逻辑值“0”)的期间内的周期数，以产生并传送一计数结果Dn至寄存器152n，其中计数结果Dn在系统时钟CLKSYS的所述先前周期的期间具有一第二先前值，以及计数结果Dn在系统时钟CLKSYS的所述目前周期的期间具有一第二目前值。比较器153n可比较计数结果Dn的所述第二先前值以及所述第二目前值，以产生负时钟假信号侦测结果Cgn。例如，在系统时钟CLKSYS的所述目前周期时，计数器151n输出的计数结果Dn可代表计数结果Dn在的所述第二目前值，而寄存器152n输出的计数结果Dn’可代表计数结果Dn的所述第二先前值。另外，或逻辑门154可对正时钟假信号侦测结果Cgp以及正时钟假信号侦测结果Cgn进行或逻辑运作，以产生时钟假信号侦测结果Cglitch。因此，当正时钟假信号侦测结果Cgp以及负时钟假信号侦测结果Cgn中的任一者指出系统时钟CLKSYS具有时钟假信号时，或逻辑门154可将时钟假信号侦测结果Cglitch拉至逻辑值“1”以通知控制器100。
在某些实施例中，时钟假信号侦测器150可仅针对正时钟假信号进行侦测。例如，计数器151n、寄存器152n、比较器153n以及或逻辑门154可被省略，而时钟假信号侦测器150可将正时钟假信号侦测结果Cgp输出为时钟假信号侦测结果Cglitch。在某些实施例中，时钟假信号侦测器150可仅针对负时钟假信号进行侦测。例如，计数器151p、寄存器152p、比较器153p以及或逻辑门154可被省略，而时钟假信号侦测器150可将负时钟假信号侦测结果Cgn输出为时钟假信号侦测结果Cglitch。
图8为依据本发明一实施例的侦测系统时钟CLKSYS上的正时钟假信号的示意图。在本实施例中，计数结果Dp的值在系统时钟CLKSYS不具有时钟假信号(例如系统时钟CLKSYS为逻辑高状态的时间长度均维持在固定值)时为Dp0。当系统时钟CLKSYS因为所述物理攻击而出现正时钟假信号(例如在系统时钟CLKSYS预期为逻辑低状态的期间被拉至逻辑高状态)时，计数结果Dp的值会改变(例如改变为Dp1)，因此正时钟假信号侦测结果Cgp可被拉至逻辑值“1”而使得时钟假信号侦测结果Cglitch被拉至逻辑值“1”。
图9为依据本发明一实施例的侦测系统时钟CLKSYS上的负时钟假信号的示意图。在本实施例中，计数结果Dn的值在系统时钟CLKSYS不具有时钟假信号(例如系统时钟CLKSYS为逻辑低状态的时间长度均维持在固定值)时为Dn0。当系统时钟CLKSYS因为所述物理攻击而出现负时钟假信号(例如在系统时钟CLKSYS预期为逻辑高状态的期间被拉至逻辑低状态)时，计数结果Dn的值会改变(例如改变为Dn1)，因此负时钟假信号侦测结果Cgn可被拉至逻辑值“1”而使得时钟假信号侦测结果Cglitch被拉至逻辑值“1”。
图10为依据本发明一实施例的一频率至数字转换器200的相关细节的示意图，其中图2所示的频率至数字转换器112、图3所示的频率至数字转换器122以及图6所示的频率至数字转换器132中的任一者可基于频率至数字转换器200的架构来实施。在本实施例中，频率至数字转换器200可基于系统时钟CLKSYS对一输入时钟CLKIN进行频率至数字转换以产生一输出码DOUT，其中图2所示的PTAT时钟CLKPTAT、图3所示的压控时钟CLKVCO以及图6所示的参考时钟CLKREF均可为输入时钟CLKIN的例子，而图2所示的数字码Tcode0、图3所示的数字码Vcode0以及图6所示的数字码Fcode0均可为输出码DOUT的例子。
如图10所示，频率至数字转换器200可包含一计数器210、一复位信号产生器220以及一寄存器230，其中复位信号产生器220耦接至计数器210，以及寄存器230耦接至计数器210。在本实施例中，计数器210可计数输入时钟CLKIN在系统时钟CLKSYS界定的一时间区间内的周期数目以产生一计数结果DCOUNT，其中所述时间区间对应于系统时钟CLKSYS的频率。另外，复位信号产生器220可依据参考时钟CLKREF以及系统时钟CLKSYS产生一复位信号RST，以在所述时间区间的一开始时间点复位计数器210，而寄存器230可在所述时间区间的一结束时间点存储计数结果DCOUNT并输出为输出码DOUT。在某些实施例中，所述时间区间可为系统时钟CLKSYS的一个完整周期。在某些实施例中，所述时间区间可为系统时钟CLKSYS为逻辑高状态的时期。在某些实施例中，所述时间区间可为系统时钟CLKSYS为逻辑低状态的时期。
图11为依据本发明一实施例的一种用来侦测一物理攻击的方法的工作流程的示意图，其中所述工作流程可由图1所示的防窜改侦测器10来执行。需注意的是，图11所示的工作流程只是为了说明的目的，并非对本发明的限制。例如，一或多个步骤可在图11所示的工作流程中被新增、删除或修改。此外，若能得到相同的结果，这些步骤并非必须完全依照图11所示的顺序来执行。
在步骤S10中，防窜改侦测器10可依据一正比于绝对温度(Proportional ToAbsolute Temperature,PTAT)的振荡器输出的一第一时钟(例如PTAT时钟CLKPTAT)以及一第一校准映射信息(例如图2所示的已考量工艺条件的校准映射信息Tmap)产生一温度码，其中所述温度码代表一运作温度。
在步骤S20中，防窜改侦测器10可依据一压控振荡器输出的一第二时钟(例如压控时钟CLKVCO)、所述温度码以及一第二校准映射信息(例如图3所示的已考量工艺条件的校准映射信息Vmap)产生一电压码，其中所述电压码代表一供应电压。
在步骤S30中，防窜改侦测器10可依据一参考振荡器输出的一第三时钟(例如参考时钟CLKREF)、所述温度码、所述电压码以及一第三校准映射信息(例如图6所示的已考量工艺条件的校准映射信息Fmap)产生一频率码，其中所述频率码代表一系统时钟的频率。
在步骤S40中，防窜感侦测器10可利用一控制器依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果，其中所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
总结来说，本发明的实施例提供的防窜改侦测器以及相关方法透过侦测多个振荡器的频率并配合已考量工艺条件的校准映射信息，以数字信号的形式取得温度、供应电压的电压位准、以及系统时钟的频率的信息，因此解决了相关技术因为使用模拟电路所造成的问题。此外，在取得温度信息后，本发明能基于所述温度信息进一步侦测电压；并且在取得电压信息后，再进一步基于所述温度信息以及所述电压信息侦测频率。因此，整体系统的运作情况可被妥善地监控，从而确保各种类型的物理攻击都能被侦测到。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用来侦测一物理攻击的防窜改侦测器，其特征在于，包含：
一温度感测器，用来依据一运作温度产生一温度码；
一电压侦测器，耦接至所述温度感测器，用来依据一供应电压以及所述温度码产生一电压码；
一频率侦测器，耦接至所述温度感测器以及所述电压侦测器，用来依据一系统时钟、所述温度码以及所述电压码产生一频率码；以及
一控制器，耦接至所述温度感测器、所述电压侦测器以及所述频率侦测器，用来依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果，其中所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
2.如权利要求1所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述防窜改侦测结果是由所述控制器侦测所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟是否在一特定运作范围而产出。
3.如权利要求1所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述温度感测器包含：一正比于绝对温度的振荡器，用来输出一正比于绝对温度的时钟，其中所述正比于绝对温度的时钟的频率是依据所述运作温度被决定；以及
一频率至数字转换器，耦接至所述正比于绝对温度的振荡器，用来对所述正比于绝对温度的时钟的频率进行频率至数字转换，以产生对应于所述运作温度的一数字码。
4.如权利要求3所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述温度感测器另包含：
一存储装置，用来存储所述数字码与所述温度码之间的校准映射信息；以及
一编码器，耦接至所述频率至数字转换器以及所述存储装置，用来依据所述校准映射信息以及所述数字码产生所述温度码。
5.如权利要求1所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述电压侦测器包含：一压控振荡器，用来输出一压控时钟，其中所述压控时钟的频率是依据所述供应电压被决定；以及
一频率至数字转换器，耦接至所述压控振荡器，用来对所述压控时钟的频率进行频率至数字转换，以产生对应于所述供应电压的一数字码。
6.如权利要求5所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述电压侦测器另包含：
一存储装置，用来存储所述数字码与所述电压码之间的校准映射信息；以及
一编码器，耦接至所述频率至数字转换器以及所述存储装置，用来依据所述温度码自所述校准映射信息中选择一特定校准映射信息，并且依据所述特定校准映射信息以及所述数字码产生所述电压码。
7.如权利要求1所述的防窜改侦测器，其特征在于，另包含：
一电压假信号侦测器，耦接至所述电压侦测器，用来侦测所述电压码的变化以产生一电压假信号侦测结果；
其中所述控制器另依据所述电压假信号侦测结果产出所述防窜改侦测结果。
8.如权利要求7所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述电压码在所述系统时钟的一先前周期的期间具有一先前值，所述电压码在所述系统时钟的一目前周期的期间具有一目前值，以及所述电压假信号侦测器包含：
一寄存器，用来存储所述电压码的所述先前值；以及
一比较器，用来比较所述先前值以及所述目前值，以产生所述电压假信号侦测结果。
9.如权利要求1所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述频率侦测器包含：一参考振荡器，用来输出一参考时钟，其中所述参考时钟的频率大于所述系统时钟的频率；以及
一频率至数字转换器，耦接至所述参考振荡器，用来依据所述系统时钟以及所述参考时钟产生对应于所述系统时钟的一数字码。
10.如权利要求9所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述频率侦测器另包含：
一存储装置，用来存储所述数字码与所述频率码之间的校准映射信息；以及
一编码器，耦接至所述频率至数字转换器以及所述存储装置，用来依据所述温度码以及所述电压码自所述校准映射信息中选择一特定校准映射信息，并且依据所述特定校准映射信息以及所述数字码产生所述频率码。
11.如权利要求9所述的防窜改侦测器，其特征在于，另包含：
一时钟假信号侦测器，耦接至所述频率侦测器，用来侦测所述系统时钟的频率的变化以产生一时钟假信号侦测结果；
其中所述控制器另依据所述时钟假信号侦测结果产出所述防窜改侦测结果。
12.如权利要求11所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述时钟假信号侦测器包含：
一计数器，用来计数所述参考时钟在所述系统时钟为一逻辑高状态的期间内的周期数，以产生一计数结果，其中所述计数结果在所述系统时钟的一先前周期的期间具有一先前值，以及所述计数结果在所述系统时钟的一目前周期的期间具有一目前值；以及
一比较器，用来比较所述先前值以及所述目前值，以产生所述时钟假信号侦测结果。
13.如权利要求11所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述时钟假信号侦测器包含：
一计数器，用来计数所述参考时钟在所述系统时钟为一逻辑低状态的期间内的周期数，以产生一计数结果，其中所述计数结果在所述系统时钟的一先前周期的期间具有一先前值，以及所述计数结果在所述系统时钟的一目前周期的期间具有一目前值；以及
一比较器，用来比较所述先前值以及所述目前值，以产生所述时钟假信号侦测结果。
14.如权利要求11所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述时钟假信号侦测器包含：
一第一计数器，用来计数所述参考时钟在所述系统时钟为一逻辑高状态的期间内的周期数，以产生一第一计数结果，其中所述第一计数结果在所述系统时钟的一先前周期的期间具有一第一先前值，以及所述第一计数结果在所述系统时钟的一目前周期的期间具有一第一目前值；
一第一比较器，用来比较所述第一先前值以及所述第一目前值，以产生一第一比较结果；
一第二计数器，用来计数所述参考时钟在所述系统时钟为一逻辑低状态的期间内的周期数，以产生一第二计数结果，其中所述第二计数结果在所述系统时钟的所述先前周期的期间具有一第二先前值，以及所述第二计数结果在所述系统时钟的所述目前周期的期间具有一第二目前值；
一第二比较器，用来比较所述第二先前值以及所述第二目前值，以产生一第二比较结果；以及
一或逻辑门，用来对所述第一比较结果以及所述第二比较结果进行一或逻辑运作，以产生所述时钟假信号侦测结果。
15.如权利要求9所述的防窜改侦测器，其特征在于，所述频率至数字转换器包含：
一计数器，用来计数所述参考时钟在所述系统时钟界定的一时间区间内的周期数以产生一计数结果，其中所述时间区间对应于所述系统时钟的频率；
一复位信号产生器，耦接至所述计数器，用来依据所述参考时钟以及所述系统时钟产生一复位信号，以在所述时间区间的一开始时间点复位所述计数器；以及
一寄存器，耦接至所述计数器，用来在所述时间区间的一结束时间点存储所述计数结果并输出为所述数字码。
16.如权利要求2所述的防窜改侦测器，其特征在于，另包含：
一单调计数器，耦接至所述控制器，用来计数所述防窜改侦测器的累积运作时间以产生一老化信息；
其中所述控制器依据所述老化信息校准所述特定运作范围的数值。
17.一种用来侦测一物理攻击的方法，其特征在于，包含：
依据一正比于绝对温度的振荡器输出的一第一时钟以及一第一校准映射信息产生一温度码，其中所述温度码代表一运作温度；
依据一压控振荡器输出的一第二时钟、所述温度码以及一第二校准映射信息产生一电压码，其中所述电压码代表一供应电压；
依据一参考振荡器输出的一第三时钟、所述温度码、所述电压码以及一第三校准映射信息产生一频率码，其中所述频率码代表一系统时钟的频率；以及
利用一控制器依据所述温度码、所述电压码以及所述频率码产生一防窜改侦测结果，其中所述防窜改侦测结果指出所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的任一者是否因为所述物理攻击而被窜改。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，另包含：
比较所述电压码在所述系统时钟的一先前周期的值与所述电压码在所述系统时钟的一目前周期的值，以产生一电压假信号侦测结果；
其中所述防窜改侦测结果是另依据所述电压假信号侦测结果来产生，以供判断所述供应电压是否因为所述物理攻击而出现电压假信号。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，另包含：
计数所述第三时钟在一时间区间内的一周期数以产生一计数结果，其中所述时间区间是由所述系统时钟的一逻辑高状态或一逻辑低状态来界定；以及
比较所述计数结果在所述系统时钟的一先前周期的值与所述计数结果在所述系统时钟的一目前周期的值，以产生一时钟假信号侦测结果；其中所述防窜改侦测结果是另依据所述时钟假信号侦测结果来产生，以供判断所述系统时钟是否因为所述物理攻击而出现时钟假信号。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，另包含：
利用一计数器计数所述第一时钟、所述第二时钟以及第三时钟中的任一待测时钟在所述系统时钟界定的一时间区间内的周期数以产生一计数结果，其中所述时间区间对应于所述系统时钟的频率；
依据所述待测时钟以及所述系统时钟产生一复位信号，以在所述时间区间的一开始时间点复位所述计数器；以及
利用一寄存器在所述时间区间的一结束时间点存储所述计数结果并输出为与所述运作温度、所述供应电压以及所述系统时钟的频率中的任一者对应的一数字码。
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