DE102019102824B4

DE102019102824B4 - Schutz integrierter schaltungen vor elektromagnetischen impulsangriffen mittels einer antenne

Info

Publication number: DE102019102824B4
Application number: DE102019102824.8A
Authority: DE
Inventors: Chinmay Apte; Brian Smith; Tezaswi Raja; Roman Surgutchik
Original assignee: Nvidia Corp
Current assignee: Nvidia Corp
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: DE102019102824A1; US20200043868A1; CN110781059A; CN110781059B; US11276648B2

Abstract

Elektromagnetische (EM) Impulsschutzschaltung für eine integrierte Schaltung, umfassend:eine Alarmschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Erkennungssignal zu empfangen und in Antwort darauf ein Alarmsignal zu erzeugen, das die Erkennung eines EM-Impulsangriffs anzeigt;eine Erkennungsschaltung mit einer Antenne, die dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal in Antwort auf den EM-Impulsangriff auf die integrierte Schaltung zu erzeugen, wobei das Erkennungssignal eine Differenzspannung ist, die an zwei Anschlüssen der Antenne induziert wird, und wobei die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung chipintern angeordnet ist; undeine Validierungsschaltung, die dazu eingerichtet die Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals zu validieren, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.

Description

FACHGEBIET
Diese Anmeldung ist allgemein auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf den Schutz integrierter Schaltungen vor elektromagnetischen (EM) Impulsangriffen gerichtet.
HINTERGRUND
Die Hardware-Sicherheit wird in allen Produktkategorien zu einer echten Sorge. Integrierte Schaltungen (Chips) werden mit Hilfe von Strom-, Takt- und EM-Impulsen Sicherheitsangriffen ausgesetzt, um Informationen aus dem Chip zu extrahieren. Bei einem EM-Impulsangriff auf einen integrierten Chip können Angreifer eine Sonde mit einer an dem Ende davon angebrachten Induktionsspule verwenden und eine sehr hohe Spannungsrampe für eine sehr kurze Zeitdauer anlegen. Dadurch entstehen elektromagnetische Impulse an der Spitze der Induktionsspule. Sowohl Chip-Gehäuse als auch Metallwege (VDD/GND-Schienen) auf einem Chip haben eine gewisse Induktivität. Wenn ein solcher Impuls angelegt und über die Sonde auf einen Chip geleitet wird, kann der angelegte Impuls aufgrund der gegenseitigen Kopplung zwischen der Sondenspule und der chipinternen Induktivität zu Störungen auf dem Chip führen. Die Störungen können auch dann auftreten, wenn die Sonde den Chip nicht direkt berührt und die gegenseitige Kopplung klein ist. Die induzierten Störungen können sich in einem Timing-Fehler manifestieren, falls die Störung groß genug ist, oder in einer Taktstörung, die dazu führen kann, dass eine Einheit einen Zyklus überspringt oder Daten zu verfälschen, die es Angreifern ermöglichen, an vertrauliche Informationen zu gelangen.
Wenn ein EM-Impulsangriff an einer Stelle nicht erfolgreich ist, können Angreifer die Sonde schwenkend nach Zielorten auf dem Chip durchsuchen und/oder die Angriffsspannung erhöhen, um den Chip erfolgreich zu knacken. Die Angreifer können einen Roboterarm mit einem XYZ-Positionierungsmechanismus verwenden, um eine bestimmte Position auf dem Chip ins Visier zu nehmen.
Die US 2018 / 0 005 964 A1 betrifft ein Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung für eine kryptografische Schaltung. Gemäß einem Beispiel umfasst die integrierte Schaltung sechs Metallisierungsebenen. Metallisierungsebene sechs, die höchste Ebene, umfasst eine Abschirmung, die mehrere parallele metallische Leiterbahnen umfasst, die so angeordnet sind, dass sie eine rechteckige Spirale bilden. Die Enden jeder metallischen Leiterbahn der Spirale sind nicht direkt mit Komponenten der kryptografischen Schaltung verbunden, sondern mit einer Verifikationsschaltung und einem Detektor, die in und auf dem Substrat angebracht sind. Die metallische Leiterbahn wirkt wie eine Empfangsantenne. Im Falle eines Angriffs durch eine elektromagnetische Fehlerinjektion, d. h. bei Vorhandensein eines besonders starken elektromagnetischen Feldes über der Abschirmung, wird in der metallischen Leiterbahn ein Strom erzeugt und an ein Schnittstellenmodul übertragen. Das Schnittstellenmodul sendet dann ein Steuersignal an ein Steuergerät, das ein Alarmsignal erzeugt. Auf der Grundlage des Alarmsignals können geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
Die DE 10 2007 062 562 A1 betrifft einen monolithisch integrierten Antennen- und Empfängerschaltkreis für die Erfassung von Terahertz-Wellen. Eine Vorrichtung umfasst eine Antennenstruktur, wobei ein Feldeffekttransistor so mit der Antennenstruktur verbunden ist, dass ein von der Antennenstruktur empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich über einen Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist wird. Der Feldeffekttransistor und die Antennenstruktur sind zusammen auf einem einzigen Substrat angeordnet.
ÜBERBLICK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine EM-Impulsschutzschaltung, eine integrierte Schaltung und ein Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem EM-Impulsangriff, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind.
In einem Aspekt wird eine EM-Impulsschutzschaltung für eine integrierte Schaltung offenbart. In einer Ausführungsform umfasst die EM-Impulsschutzschaltung: (1) eine Alarmschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Erkennungssignal zu empfangen und in Antwort darauf ein Alarmsignal zu erzeugen, das die Erkennung eines EM-Impulsangriffs anzeigt, (2) eine Erkennungsschaltung mit einer Antenne, die dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal in Antwort auf den EM-Impulsangriff auf die integrierte Schaltung zu erzeugen, wobei das Erkennungssignal eine Differenzspannung ist, die an zwei Anschlüssen der Antenne induziert wird, und wobei die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung chipintern angeordnet ist, und (3) eine Validierungsschaltung, die dazu eingerichtet die Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals zu validieren, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
In einem weiteren Aspekt wird eine integrierte Schaltung offenbart. In einer Ausführungsform umfasst die integrierte Schaltung: (1) eine Schaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Funktion auszuführen, und (2) eine EM-Impulsschutzschaltung mit einer Validierungsschaltung und einer Erkennungsschaltung mit einer Antenne, die in Antwort auf einen EM-Impulsangriff auf die integrierte Schaltung ein Erkennungssignal erzeugt, wobei das Erkennungssignal eine Differenzspannung ist, die an zwei Anschlüssen der Antenne induziert wird, wobei die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung chipintern angeordnet ist, und wobei die Validierungsschaltung eingerichtet ist, die Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals zu validieren, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem EM-Impulsangriff offenbart. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren: (1) Erkennen, durch eine chipinterne Schaltung, einer induzierten Spannung an zwei Anschlüssen einer chipinternen Antenne in Antwort auf eine EM-Impulsangriffsspannung auf der integrierten Schaltung, (2) Erzeugen eines Alarmsignals, wenn die induzierte Spannung einen Spannungsschwellwert überschreitet, (3) Ausführen einer Abwehrmaßnahme in Antwort auf das Alarmsignal, und (4) Validieren der Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
KURZBESCHREIBUNG
Es wird nun auf die folgende Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen:

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Beispiels einer integrierten Schaltung mit mehreren EM-Impulsschutzschaltungen, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut sind;
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Beispiels einer EM-Impulsschutzschaltung, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut ist;
3 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer EM-Impulsschutzschaltung, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut ist; und
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem EM-Impulsangriff, wobei das Verfahren nach den Prinzipien der Offenbarung durchgeführt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die zuvor beschrieben EM-Impulsangriffe sollen beispielsweise während eines Systemstart- oder Fehlerzustands in ein System des Chips eindringen, um es Angreifern zu ermöglichen, an vertrauliche Informationen zu gelangen. Die geschützten Informationen umfassen private Schlüssel und Sicherheitsschlüssel. Wenn die Angreifer, auch Hacker genannt, an geschützte Informationen wie die Sicherheitsschlüssel gelangen können, so können die Hacker dann mit den Sicherheitsschlüsseln in alle Chips dieses Typs gelangen. Da Chips inzwischen sowohl in selbstfahrenden Autoanwendungen als auch in Konsolenanwendungen eingesetzt werden, stellt dies eine ernsthafte Bedrohung bezüglich Nutzersicherheit und -gefährdung dar. Daher hat der Schutz von Chips vor EM-Impulsangriffen insbesondere bei Chips, die geschützte Informationen enthalten oder verarbeiten, an Bedeutung gewonnen.
Somit bezieht sich diese Offenbarung auf das Erkennen und Antworten auf EM-Impulsangriffe auf integrierte Schaltungen. Diese Offenbarung stellt eine chipinterne EM-Impulsschutzschaltung bereit, die EM-Impulsangriffe erkennt, in Antwort darauf einen Alarm erzeugt und eine Abwehrmaßnahme zum Schutz der integrierten Schaltung durchführt. Chipintern, wie hierin verwendet, zeigt an, dass die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung (in dem Silizium selbst) oder innerhalb eines Gehäuses oder einer Gehäuseschicht der integrierten Schaltung integriert ist. Die EM-Impulsschutzschaltung kann eine chipinterne Schaltung sein, die auf einem Elektronikgehäuse positioniert ist, das die integrierte Schaltung umfasst. Die EM-Impulsschutzschaltung kann mit verschiedenen integrierten Schaltungen oder hergestellten Chips verwendet werden, bei denen beispielsweise der Wunsch besteht, Informationen vertraulich zu halten, die Sicherheit des Chips zu gewährleisten, sichere Startvorgänge durchzuführen und/oder private Schlüssel zu schützen.
Die EM-Impulsschutzschaltung kann auf einer Ebene innerhalb der integrierten Schaltung oder des Chip-Plättchens angeordnet sein, das über, unter oder auf derselben Ebene wie die zu schützende Schaltung liegt. In einem Beispiel kann sich die EM-Impulsschutzschaltung innerhalb der oberen beiden Ebenen eines Chip-Plättchens befinden. Die EM-Impulsschutzschaltung kann in verschiedene Siliziumebenen einer integrierten Schaltung integriert werden. Eine integrierte Schaltung kann mehrere EM-Schutzschaltungen umfassen, die jeweils zum Schutz eines bestimmten Bereichs oder einer ausgewiesenen Schaltung der integrierten Schaltung ausgewiesen sind. Wie in 1 dargestellt kann für alle EM-Impulsschutzschaltungen eine einzige Antwortschaltung verwendet werden.
Den Figuren zuwendend veranschaulicht 1 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer integrierten Schaltung 100 mit mehreren EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut sind. Zusätzlich zu den EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 umfasst die integrierte Schaltung 100 die Funktionsschaltungen 125, 135, 145. Die Funktionsschaltungen 125, 135, 145 sind Funktions- oder Logikschaltungen, die dazu eingerichtet sind, eine bestimmte Funktion auszuführen. Die Funktionsschaltungen 125, 135, 145 können beliebige Schaltungen sein, die jetzt oder in Zukunft auf einem gemeinsamen Substrat integrierbar sind. So kann die Funktionsschaltung beispielsweise eine Hybridschaltung (analog/digital) und Ein-/Ausgabeschaltungen (I/O) umfassen.
Jede der EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 ist dazu ausgewiesen, einen EM-Impulsangriff an bestimmten Stellen der integrierten Schaltung 100 zu erkennen. Wie dargestellt steht jede der EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 in Beziehung mit einer bestimmten der Funktionsschaltungen 125, 135, 145 in ihrem vorgesehenen Schutzbereich. Die EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 können in eine Siliziumschicht über den zu schützenden Funktionsschaltungen 125, 135, 145 integriert werden. Die EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 können ihre ganz eigene Antwortschaltung umfassen, die eine Abwehrmaßnahme in Antwort auf einen erkannten EM-Impulsangriff durchführt. In 1 kann, wie die gestrichelten Linien anzeigen, eine Einzelantwortschaltung 150 dazu verwendet werden, eine Abwehrmaßnahme für mehrere EM-Impulsschutzschaltungen durchzuführen, wie beispielsweise die EM-Impulsschutzschaltungen 120, 130, 140 in 1.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Beispiels einer EM-Impulsschutzschaltung 200, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut ist. Die EM-Impulsschutzschaltung 200 umfasst eine Erkennungsschaltung 210, einen Verstärker 220, eine Alarmschaltung 230, eine Antwortschaltung 240 und eine Validierungsschaltung 250.
Die Erkennungsschaltung 210 ist dazu eingerichtet, ein Erkennungssignal in Antwort auf einen EM-Impulsangriff auf eine integrierte Schaltung zu erzeugen, die die EM-Impulsschutzschaltung 200 umfasst. Das Erkennungssignal kann ein analoges Signal sein. Die Erkennungsschaltung 210 erkennt einen EM-Impulsangriff über eine Spannung, die durch den EM-Impuls induziert wird. Die Erkennungsschaltung 210 kann eine Induktivität mit einem geerdeten Mittelabgriff umfassen, der die von dem EM-Impuls induzierte Spannung empfängt. Die Erkennungsschaltung 210 kann eine chipinterne Schaltung sein und die Induktivität kann eine Antenne sein. Die Antenne kann in eine Richtung verschoben sein, aus welcher eine Erkennung eines EM-Angriffes am wahrscheinlichsten ist.
Die Erkennungsschaltung 210 muss einen Bereich eines Chips oder einer integrierten Schaltung nicht physisch abdecken, um Schaltungen innerhalb des Bereichs zu schützen. Stattdessen kann der Schutzabdeckungsbereich durch die Erkennungsschaltung 210 größer sein als eine Flächenbedarf der Erkennungsschaltung 210, so wie eine Antenne ein Fernsignal empfangen kann. Der Schutzabdeckungsbereich der Erkennungsschaltung 210 kann abhängig von Faktoren wie den physikalischen Parametern der Antenne, der Frequenz und der Größe des EMP-Impulses variieren. Die Erkennungsschaltung 210 kann so angeordnet sein, dass sie bestimmte Bereiche einer integrierten Schaltung schützt, wie beispielsweise Schaltungen die geschützte Informationen speichern oder verarbeiten. Somit können einige Bereiche einer integrierten Schaltung vor einer Erkennung von EM-Impulsangriffen durch die Erkennungsschaltung 210 ungeschützt bleiben. Die intelligente und gezielte Platzierung der Erkennungsschaltung 210 und der EM-Impulsschutzschaltung 200 als Ganzes kann die Komplexität und die Kosten eines Chips reduzieren, aber dennoch die benötigten Bereiche, z.B. sichere Bereiche, des Chips schützen.
Die Art und physikalische Größe der Antenne kann je nach Anwendung und verfügbarem Platz auf einem Chip variieren. Verschiedene Arten von Antennen umfassen planare Antennen, die quadratisch, hexagonal, achteckig oder kreisförmig sind. Große Antennen können verwendet werden, wenn Platz vorhanden ist. Bei ausreichend großen Antennen ist eine Verstärkung des Erkennungssignals möglicherweise nicht erforderlich. Ein Beispiel für eine große Antenne ist eine mit einer Fläche von 120 µm × 120 µm. Ein Beispiel für eine kleine Antenne ist eine mit einer Fläche von 35 µm × 35 µm. Es besteht ein Kompromiss zwischen der Antennengröße und dem Verstärkungsbedarf, der sich aus Faktoren wie spezifischen Gestaltungen, verfügbarer Chipfläche, gewünschten Abdeckungsbereichen usw. bestimmen lässt.
Der Verstärker 220 ist dazu eingerichtet, das Erkennungssignal zu empfangen und zu verstärken und das verstärkte Erkennungssignal an die Alarmschaltung 230 zu liefern, um ein Alarmsignal zu erzeugen. Wie zuvor erwähnt wird der Verstärker 220 in einigen Ausführungsformen, in denen das Erkennungssignal ausreicht, um das Alarmsignal zu erzeugen, nicht benötigt. Der Verstärker 220 kann ein herkömmlicher Verstärker sein.
Die Alarmschaltung 230 ist dazu eingerichtet, das Erkennungssignal zu empfangen und in Antwort darauf das Alarmsignal zu erzeugen, das eine Erkennung des EM-Impulsangriffs anzeigt. Das empfangene Erkennungssignal kann wie in 2 dargestellt ein verstärktes Erkennungssignal sein. Die Alarmschaltung 230 erzeugt das Alarmsignal, wenn die durch das Erkennungssignal repräsentierte induzierte Spannung einen Spannungsschwellwert überschreitet. Die Alarmschaltung 230 kann eine analoge Vergleichsschaltung umfassen, der dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal mit dem Spannungsschwellwert zu vergleichen. Der Spannungsschwellwert wird auf Grundlage von mindestens einer EM-Impulsangriffsspannung oder einem davon zu erkennenden Bereich ausgewählt. Der Schwellwert kann je nach Anwendung, Implementierung oder Gestaltung der EM-Impulsschutzschaltung 200 variieren. Das Alarmsignal kann ein digitales Alarmsignal sein.
Die Antwortschaltung 240 ist dazu eingerichtet, das Alarmsignal zu empfangen und in Antwort darauf eine Abwehrmaßnahme durchzuführen. Die Antwortschaltung 240 kann ein Prozessor oder Teil eines Prozessors sein, der programmiert ist, um eine oder mehrere Abwehrmaßnahmen in Antwort auf ein Alarmsignal durchzuführen. Die Abwehrmaßnahmen können ein Deaktivieren der integrierten Schaltung, ein Zurücksetzen der integrierten Schaltung, ein Ändern von auf der integrierten Schaltung gespeicherten Daten, ein Verbergen von auf der integrierten Schaltung befindlichen Daten, ein Verfolgen des EM-Impulsangriffs, ein Bereitstellen irreführender oder falscher Daten und andere Abwehrmaßnahmen zum Schutz vertraulicher Informationen umfassen. In einem Beispiel kann ein Zähler verwendet werden, um die Anzahl der Angriffe zu zählen und den Chip nach einer bestimmten Anzahl von Angriffen zu deaktivieren.
Die Validierungsschaltung 250 ist dazu eingerichtet, die Integrität der Erkennungsschaltung 210 zu validieren, um sicherzustellen, dass die Erkennungsschaltung 210 nicht zum Verhindern einer Erkennung eines EM-Impulsangriffs beschädigt wurde. Die Validierungsschaltung 250 kann eine zusätzliche, in einigen Ausführungsformen verwendete Schaltung sein. Die Validierungsschaltung 250 kann beispielsweise eine passive Schaltung sein, die eine Selbstvalidierung der Antenne der Erkennungsschaltung 210 bereitstellt. In einer Ausführungsform kann die Validierungsschaltung 250 die Integrität der Antenne dadurch validieren, dass sie die Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals überprüft. Die Validierungsschaltung 250 kann ein Signal von einem Anschluss der Antenne zu dem anderen Anschluss der Antenne senden und die Laufzeit mit einem bekannten Standard vergleichen, um sicherzustellen, dass die Antenne nicht beschädigt wurde. Da die Validierungsschaltung 250 über die Anschlüsse der Antenne der Erkennungsschaltung 210 angeschlossen ist, um das Signal durch die Antenne zu senden, wird das Signal so gewählt, dass es den Spannungsschwellwert der Alarmschaltung 230 nicht überschreitet oder dass die Validierung in Perioden vor der Aktivierung der Erkennung oder in Perioden, in denen die Erkennung unterbrochen werden kann, erfolgt. Das Signal kann periodische Impulse umfassen. Konventionelle elektrische Komponenten können verwendet werden, um die Standard- und Prüflaufzeiten zu vergleichen, um die Integrität der Antenne zu bestimmen. Wenn die Integrität der Antenne entfällt, ist die Validierungsschaltung 250 dazu eingerichtet, ein Integritätssignal zu erzeugen, das an die Antwortschaltung 240 gemeldet wird. Abwehrmaßnahmen können dann so durchgeführt werden, als ob ein Alarmsignal empfangen worden wäre.
3 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer EM-Impulsschutzschaltung 300, die nach den Prinzipien der Offenbarung aufgebaut ist. Die beispielhafte EM-Impulsschutzschaltung 300 umfasst eine Erkennungsschaltung 310, einen Verstärker 320 und eine Alarmschaltung 330. Die Erkennungsschaltung 310, der Verstärker 320 und die Alarmschaltung 330, oder mindestens eine der drei, wie beispielsweise die Erkennungsschaltung 310, können mit einer integrierten Schaltung integriert werden, um einen chipinternen Schutz für die integrierte Schaltung bereitzustellen. Werte für die verschiedenen Komponenten der EM-Impulsschutzbeschaltung 300 sind im Folgenden als Beispiele aufgeführt. Ein Fachmann wird verstehen, dass die Werte je nach Implementierung und dem gewünschten Bereich der zu erkennenden EM-Impulse variieren können.
Die Erkennungsschaltung 310 umfasst eine Induktivität mit Mittelabgriff, die als Antenne verwendet wird und als Antenne 314 bezeichnet wird. Die Antenne 314 kann chipintern ausgeführt sein, was die Schwierigkeit einer Deaktivierung erhöht. Die physikalische Größe der Antenne 314 kann abhängig von solchen Faktoren wie der speziellen Implementierung, verfügbaren Chipfläche, Verstärkungsanforderungen usw. variieren. Die Antenne 314 ist eine mittenangezapfte 445 pH Antenne.
Wenn ein EM-Impulsangriff auf die Antenne 314 gerichtet ist, wird aufgrund der gegenseitigen Kopplung (k) zwischen der Antenne 314 und der Angriffssondenspule ein differentielles elektromagnetisches Feld an den beiden Anschlüssen 316, 318 der Antenne 314 induziert. (Die Anschlüsse 316, 318 sind ein Beispiel dafür, wo eine Validierungsschaltung, wie beispielsweise die Validierungsschaltung 250, angekoppelt werden kann.) Die induzierte Differenzspannung hängt von der Angriffsspannung, dem k-Faktor (Kopplung), der Anstiegssteilheit der Angriffsspannung und dem Induktivitätswert der Sondenspule und der chipinternen Antenne 314 ab. Die induzierte Spannung an den Anschlüsse 316, 318 der Antenne 314 kann in der Größenordnung von +/- mehreren zehn mV liegen.
Die EM-Impulsschutzschaltung 300 setzt die induzierte Spannung an den Anschlüsse 316, 318, in ein digitales Signal um. Im dargestellten Beispiel wird für die Umsetzung ein Verstärker 320 benötigt. Da die Antenne 314 eine Differenzspannung erzeugt, kann ein differentieller Operationsverstärker 322 zur Verstärkung des Signals verwendet werden. Eine typische Verstärkung für den differentiellen Operationsverstärker 322 kann 20-30dB sein. Der Verstärker 320 wird in einem Differentiell-zu-Einzelanschluss-Aufbau verwendet und der Ausgang des differentiellen Operationsverstärkers 322 ist mit dem Eingang einer digitalen Vergleichsschaltung 332 der Alarmschaltung 330 verbunden. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die digitale Vergleichsschaltung 332 ein Schmitt-Trigger und wird im Folgenden als Schmitt-Trigger 332 bezeichnet. In einigen Anwendungen, die das Erkennungssignal ohne Verstärkung empfangen, kann eine analoge Vergleichsschaltung verwendet werden.
Der Verstärker 320 umfasst auch die Kapazitäten 323, 324 und die Widerstände 325, 326. In diesem Beispiel haben die Kapazitäten 323, 324 einen Wert von 4 pF und die Widerstände 325, 326 einen Wert von 40 Ohm. Der Verstärker 320 umfasst auch eine Stromquelle 327 und einen Schalter 328, die beide an die Betriebsspannung Vdd gekoppelt sind. Die Stromquelle 327 stellt eine Stromschwelle von 20 µA bereit und der Schalter 328 steuert ein Zurücksetzen des differentiellen Operationsverstärkers 322. Die Betriebsspannung Vdd beträgt ein Volt. Die Werte werden als Beispiel für eine Implementierung angegeben. Verschiedene Schaltungs-, Nutzungs- und Prozessoptionen können diese Werte ändern.
Wenn das verstärkte Erkennungssignal die Schmittschwelle überschreitet, ändert der Ausgang des Schmitt-Triggers 332 einen Zustand. Die Ausgangsänderung wird dazu verwendet, eine „Taktflanke“ zu erzeugen, um z.B. eine „1“ am Ausgang eines Logikgatters, Flipflop 334, abzutasten und beizubehalten. Diese(s) von der Alarmschaltung 330 erzeugte Ausgabe oder Alarmsignal zeigt an, dass ein EM-Impulsangriff erfolgreich erkannt wurde. Die Alarmschaltung 330 kann das Alarmsignal einer Antwortschaltung, wie beispielsweise die Antwortschaltung 150 oder die Antwortschaltung 240, bereitstellen, um geeignete Abwehrmaßnahmen zu ergreifen.
Die Ausgabe des Schmitt-Triggers 332 wird einer Inverterschaltung 336 zugeführt, bevor sie dem Takteingang des Flipflops 334 zugeführt wird. In anderen Ausführungsformen können verschiedene Schaltungen oder Komponenten verwendet werden, um ein Alarmsignal zu erzeugen. So können beispielsweise synchrones Abtasten, Rücksetz-Setz-Flipflops, D-Flipflops usw. verwendet werden. In einigen Implementierungen, in denen das Erkennungssignal ausreichend groß ist, um z.B. ein Flipflop zu treiben, ist eine Vergleichsschaltung wie der Schmitt-Trigger 332 nicht erforderlich, und das Erkennungssignal kann der Inverterschaltung 336 und dann dem Flipflop 334 bereitgestellt werden. Da die EM-Impulsangriffe von kurzer Dauer sein können, wird das Flipflop 334 dazu verwendet, einen Wert beizuhalten, sobald ein Angriff erkannt wird, um Sicherungsmaßnahmen, d.h. Abwehrmaßnahmen, durchzuführen.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens 400 zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem EM-Impulsangriff, das nach den Prinzipien der Offenbarung durchgeführt wird. Das Verfahren 400 beginnt in einem Schritt 405.
In einem Schritt 410 wird eine induzierte Spannung an zwei Anschlüsse einer Induktivität in Antwort auf eine EM-Impulsangriffsspannung auf die integrierte Schaltung erkannt. Die Induktivität kann eine chipinterne Antenne sein. Die Antenne kann eine mittenangezapfte Antenne sein. Die induzierte Spannung kann ein Erkennungssignal sein.
In einem Schritt 420 wird ein Alarmsignal erzeugt, wenn die induzierte Spannung einen Spannungsschwellwert überschreitet. Der Spannungsschwellwert wird auf Grundlage einer EM-Impulsangriffsspannung oder einem davon zu erkennenden Bereich ausgewählt. Eine Vergleichsschaltung kann verwendet werden, um die induzierte Spannung mit dem Spannungsschwellwert zu vergleichen. In einigen Anwendungen kann die induzierte Spannung vor dem Vergleich verstärkt werden.
In einem Schritt 430 wird in Antwort auf das Alarmsignal eine Abwehrmaßnahme durchgeführt. Mehrere verschiedene Arten von Abwehrmaßnahmen sind durchführbar, und mehr als eine Art von Abwehrmaßnahmen ist in Antwort auf ein einziges Alarmsignal durchführbar. Eine Antwortschaltung kann verwendet werden, um die Abwehrmaßnahme(n) durchzuführen oder einzuleiten.
In einem Schritt 440 wird die Integrität der chipinternen Induktivität überprüft. Die Integrität der chipinternen Induktivität oder der Antenne, wie vorstehend erwähnt, kann eine selbstvalidierende Überprüfung sein, die eine Latenz von einem Anschluss zu dem zweiten Anschluss überprüft. Ein periodischer Impuls kann eingesetzt werden, um die Latenzzeit zwischen den Anschlüssen zu messen. Eine Validierungsschaltung kann verwendet werden, um die Integrität der Antenne zu prüfen und eine Ausgabe für die EM-Impulsschutzschaltung bereitzustellen, um anzuzeigen, dass die chipinterne Antenne nicht kompromittiert wurde. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Alarmsignal wirklich ein Alarm ist, der einen EM-Impulsangriff anzeigt. Das Verfahren 400 endet in einem Schritt 450.
Diese Offenbarung beschreibt Teststrukturen, die beispielsweise in Silizium implementiert werden können, um bei einem EM-Impulsangriff einen Alarm auszulösen. Das Ziel dieser hierin als EM-Impulsschutzschaltung bezeichneten Teststrukturen ist es, einen derartigen Hardwareangriff erfolgreich zu erkennen und nach erfolgreicher Erkennung des Angriffs einen Alarm auszulösen. Ein weiteres Ziel kann auch sein, eine Abwehrmaßnahme in Antwort auf den ausgelösten Alarm durchzuführen. Die EM-Impulsschutzschaltung kann eine passive Schaltung sein, die durch einen EM-Impulsangriff per Induktion aktiviert wird.

Claims

Elektromagnetische (EM) Impulsschutzschaltung für eine integrierte Schaltung, umfassend: eine Alarmschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein Erkennungssignal zu empfangen und in Antwort darauf ein Alarmsignal zu erzeugen, das die Erkennung eines EM-Impulsangriffs anzeigt; eine Erkennungsschaltung mit einer Antenne, die dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal in Antwort auf den EM-Impulsangriff auf die integrierte Schaltung zu erzeugen, wobei das Erkennungssignal eine Differenzspannung ist, die an zwei Anschlüssen der Antenne induziert wird, und wobei die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung chipintern angeordnet ist; und eine Validierungsschaltung, die dazu eingerichtet die Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals zu validieren, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Verstärker, der dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal zu empfangen und zu verstärken und der Alarmschaltung das verstärkte Erkennungssignal bereitzustellen, um das Alarmsignal zu erzeugen.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Differenzspannung durch gegenseitige Kopplung (k) zwischen der Antenne und einer für den EM-Impulsangriff verwendeten Angriffssondenspule induziert wird.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antenne eine chipinterne mittenangezapfte Antenne ist.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antenne eine auf der integrierten Schaltung integrierte planare Antenne ist.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Erkennungssignal ein analoges Signal ist und die Alarmschaltung das Erkennungssignal in ein digitales Alarmsignal umsetzt.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 6, wobei die Alarmschaltung eine Vergleichsschaltung umfasst, die das Erkennungssignal empfängt und verarbeitet, und eine Ausgabe für ein Logikgatter bereitstellt, um das digitale Alarmsignal zu erzeugen.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 7, wobei die Vergleichsschaltung ein Schmitt-Trigger ist, der eine Taktflanke für das Logikgatter erzeugt, um das digitale Alarmsignal zu erzeugen.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Operationsverstärker, der dazu eingerichtet ist, das Erkennungssignal zu empfangen und zu verstärken und dem Schmitt-Trigger das verstärkte Erkennungssignal bereitzustellen.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die EM-Impulsschutzschaltung eine chipinterne Schaltung ist, die in eine Siliziumebene der integrierten Schaltung integriert ist.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die EM-Impulsschutzschaltung eine chipinterne Schaltung ist, die auf einem die integrierte Schaltung umfassenden Elektronikgehäuse positioniert ist.
EM-Impulsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend eine Antwortschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Alarmsignal zu empfangen und in Antwort darauf eine Abwehrmaßnahme durchzuführen.
EM-Impulsschutzschaltung nach Anspruch 12, wobei die Abwehrmaßnahme eines oder mehrere Elemente umfasst aus der Liste bestehend aus: Deaktivieren der integrierten Schaltung, Zurücksetzen der integrierten Schaltung, Ändern von auf der integrierten Schaltung gespeicherten Daten, Verbergen von auf der integrierten Schaltung befindlichen Daten, Verfolgen des EM-Impulsangriffs, und Bereitstellen falscher Daten.
Integrierte Schaltung, umfassend: eine Schaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Funktion auszuführen; und eine elektromagnetische (EM) Impulsschutzschaltung mit einer Validierungsschaltung und einer Erkennungsschaltung mit einer Antenne, die in Antwort auf einen EM-Impulsangriff auf die integrierte Schaltung ein Erkennungssignal erzeugt, wobei das Erkennungssignal eine Differenzspannung ist, die an zwei Anschlüssen der Antenne induziert wird, wobei die EM-Impulsschutzschaltung mit der integrierten Schaltung chipintern angeordnet ist, und wobei die Validierungsschaltung eingerichtet ist, die Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals zu validieren, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 14, wobei die Differenzspannung durch gegenseitige Kopplung (k) zwischen der Antenne und einer Angriffssondenspule, die für den EM-Impulsangriff verwendet wird, induziert wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Antenne eine chipinterne mittenangezapfte Antenne ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Antenne eine auf der integrierten Schaltung integrierte planare Antenne ist.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die EM-Impulsschutzschaltung ferner eine Alarmschaltung umfasst, die das Erkennungssignal empfängt und ein Alarmsignal erzeugt, das eine Erkennung des EM-Impulsangriffs anzeigt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Antwortschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Alarmsignal zu empfangen und in Antwort darauf eine Abwehrmaßnahme durchzuführen.
Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner umfassend mehrere EM-Impulsschutzschaltungen, die über die integrierte Schaltung verteilt sind.
Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem elektromagnetischen (EM) Impulsangriff, umfassend: Erkennen, durch eine chipinterne Schaltung, einer induzierten Spannung an zwei Anschlüssen einer chipinternen Antenne in Antwort auf eine EM-Impulsangriffsspannung auf die integrierte Schaltung; Erzeugen eines Alarmsignals, wenn die induzierte Spannung einen Spannungsschwellwert überschreitet; Durchführen einer Abwehrmaßnahme in Antwort auf das Alarmsignal; und Validieren der Integrität der Antenne durch Überprüfen einer Latenzzeit eines sich durch die Antenne ausbreitenden Signals, indem das Signal von einem Anschluss der Antenne zu einem anderen Anschluss der Antenne gesendet wird und die Laufzeit mit einem bekannten Standard verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die chipinterne Antenne in eine Siliziumebene der integrierten Schaltung integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei ein Wert des Spannungsschwellwerts für die EM-Impulsangriffsspannung ausgewählt wird.