DE19936919A1 - Datenverarbeitungseinrichtung und Verfahren zu deren Spannungsversorgung - Google Patents
Datenverarbeitungseinrichtung und Verfahren zu deren SpannungsversorgungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungseinrichtung (100), insbesondere Chipkarte, mit einer integrierten Schaltung (10) und einer Stromversorgung. Hierbei weist die Stromversorgung einen Spannungsumsetzer (12) auf, welcher einen Ausgangsstrom I¶aus¶ (46), der die integrierte Schaltung (10) versorgt, in einen gepulsten Eingangsstrom I¶ein¶ (44) mit V¶aus¶ V¶ein¶ umsetzt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere Chipkar
te, mit einer integrierten Schaltung und einer Stromversorgung, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Span
nungsversorgung einer integrierten Schaltung, insbesondere in einer Chipkarte,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
In vielen Datenverarbeitungsgeräten mit integrierter Schaltung dienen beispiels
weise kryptographische Operation zum Schutz des Betriebes dieser Geräte bzw.
zum Schutz von in dem Gerät transportierten Daten. Die hierfür notwendigen Re
chenoperationen werden dabei sowohl von Standard-Rechenwerken als auch von
dedizierten Crypto-Rechenwerken durchgeführt. Ein typisches Beispiel für letzte
res sind Chipkarten bzw. IC-Karten. Bei in diesem Zusammenhang verwendeten
Daten bzw. Zwischenergebnissen handelt es sich üblicherweise um sicherheits
relevante Informationen, wie beispielsweise kryptographische Schlüssel oder Ope
randen.
Bei von der integrierten Schaltung durchgeführten Rechenoperationen, beispiels
weise zur Berechnung von kryptographischen Algorithmen, werden logische Ver
knüpfungen zwischen Operanden bzw. Zwischenergebnissen durchgeführt. In Ab
hängigkeit von der verwendeten Technologie führen diese Operationen, insbe
sondere das Laden von leeren oder zuvor gelöschten Speicherbereichen bzw.
Register mit Daten, zu einem erhöhten Stromverbrauch der Datenverarbeitungs
geräte. Bei komplementärer Logik, wie beispielsweise der CMOS-Technik, tritt ein
erhöhter Stromverbrauch dann auf, wenn der Wert einer Bit-Speicherzelle geän
dert wird, d. h. sein Wert sich von "0" auf "1" bzw. von "1" auf "0" ändert. Der er
höhte Verbrauch hängt dabei von der Anzahl der im Speicher bzw. Register geän
derten Bitstellen ab. Mit anderen Worten lässt das Laden eines zuvor gelöschten
Registers einen Stromverbrauch proportional zum Hamminggewicht des in das
leere Register geschriebenen Operanden (= Anzahl der Bits mit dem Wert "1") an
steigen. Durch eine entsprechende Analyse dieser Stromänderung könnte es
möglich sein, Informationen über die berechneten Operationen zu extrahieren, so
dass eine erfolgreiche Kryptoanalyse von geheimen Operanden, wie beispielswei
se kryptographischen Schlüsseln, möglich ist. Mittels Durchführung mehrerer
Strommessungen am Datenverarbeitungsgerät könnten beispielsweise bei sehr
kleinen Signaländerungen eine hinreichende Extraktion der Informationen ermög
licht werden. Andererseits könnten mehrere Strommessungen eine ggf. erforderli
che Differenzbildung ermöglichen. Dieses Art der Kryptoanalyse wird auch als
"Differential Power Analysis" bezeichnet, mittels derer ein Außenstehender durch
reine Beobachtung von Änderungen des Stromverbrauches des Datenverarbei
tungsgerätes eine ggf. unberechtigte Kryptoanalyse der kryptographischen Ope
rationen, Algorithmen, Operanden bzw. Daten erfolgreich ausführen kann. Die
"Differential Power Analysis" ermöglicht es somit über die Informationen über die
reine Funktionalität hinaus noch zusätzliche interne Informationen einer integrier
ten Schaltung gewinnen zu können.
Aus der US 5 297 201 ist es bekannt, einen Hochfrequenz abstrahlenden Com
puter mit einer Einrichtung zu kombinieren, welche ebenfalls eine Hochfrequenz
ähnlich zu derjenigen des Computers abstrahlt. Dadurch ist es für einen unbe
rechtigten Dritten nicht mehr möglich, die Hochfrequenzabstrahlung des Compu
ters zu dekodieren. Eine Kryptoanalyse durch einen Dritten, der unmittelbar Zu
gang zum Computer hat, kann dieses System jedoch nicht verhindern.
Die WO 90/15489 beschreibt ein gesichertes Kommunikationssystem, bei dem
Dummyverkehr bzw. -übertragungen erzeugt werden, um kryptographische Analy
sen zu erschweren. Eine Kryptoanalyse durch einen Dritten, der unmittelbar Zu
gang zum Computer hat, kann dieses System jedoch ebenfalls nicht verhindern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Datenverarbeitungs
einrichtung sowie ein verbesserte Verfahren der obengenannten Art zur Verfü
gung zu stellen, welche die obengenannten Nachteile beseitigen und einen wirk
samen Schutz gegen eine "Differential Power Analysis" zur Verfügung stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Datenverarbeitungseinrichtung der o. g. Art mit den
in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stromversorgung einen
Spannungsumsetzer aufweist, welcher eine Eingangsspannung Vein in eine gepul
ste Ausgangsspannung Vaus umsetzt und an die integrierte Schaltung weiter leitet,
wobei Vaus ≦ Vein ist.
Dies hat den Vorteil, dass im zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung sämtli
che charakteristischen Informationen bzgl. der von der integrierten Schaltung
durchgeführten Operationen eliminiert sind, so dass ein resultierender Eingangs
strom der integrierten Schaltung nicht mehr als Informationsquelle für eine "Diffe
rential Power Analysis" herangezogen werden kann.
Vorzugsweise Weitergestaltungen der Datenverarbeitungseinrichtung sind in den
Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Spannungsumsetzer einen
Schalter und eine Steuerung für den Schalter auf, wobei der Schalter über eine
Kapazität mit Masse verbunden ist und gesteuert von der Steuerung alternierend
die Kapazität mit der Eingangsspannung Vein bzw. mit der integrierten Schaltung
verbindet.
Ferner ist zweckmäßigerweise eine stromführende Speiseleitung mit einem, mit
der Eingangsspannung Vein verbundenen, Eingangsknoten und einem, die Aus
gangsspannung Vaus an die integrierte Schaltung abgebenden, Ausgangsknoten
vorgesehen. Der Schalter ist derart angeordnet, dass er die Speiseleitung zwi
schen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten unterbricht und in einer
ersten Stellung die erste Kapazität über einen ersten Speiseleitungsteil mit dem
Eingangsknoten und in einer zweiten Stellung über einen zweiten Speiseleitungs
teil mit dem Ausgangsknoten verbindet.
Zweckmäßigerweise weist der Spannungsumsetzer eine Eingangskapazität, wel
che zwischen dem Eingangsknoten und der ersten Stellung des Schalters die
Speiseleitung mit Masse verbindet, sowie eine Ausgangskapazität auf, welche
zwischen der zweiten Stellung des Schalters und dem Ausgangsknoten die Spei
seleitung mit Masse verbindet.
Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der
Versorgungsstrom der integrierten Schaltung so umgesetzt wird, dass aussen am
Eingang nur ein gepulster Strom mit konstanter Pulshöhe gemessen werden
kann. Hierzu ist vorgesehen, dass eine Eingangsspannung Vein zu einer pulswei
tenmodulierten Ausgangsspannung Vaus umgesetzt und an die integrierte Schal
tung gegeben wird.
Dies hat den Vorteil, dass im zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung sämtli
che charakteristischen Informationen bzgl. der von der integrierten Schaltung
durchgeführten Operationen eliminiert sind, so dass ein resultierender Eingangs
strom der integrierten Schaltung nicht mehr als Informationsquelle für eine "Diffe
rential Power Analysis" herangezogen werden kann.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher er
läutert. Diese zeigen in
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Daten
verarbeitungseinrichtung und
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Eingangsstrom und Ausgangsstrom
eines Spannungsumsetzers für eine erfindungsgemäße Datenverar
beitungseinrichtung über eine Zeitachse.
Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Datenverarbeitungseinrichtung 100 umfasst eine integrierte Schaltung 10 und ei
nen Spannungsumsetzer 12 einer ansonsten nicht näher dargestellten Stromver
sorgung. Der Spannungsumsetzer 12 weist einen Schalter 14 und eine Steuerung
16 für den Schalter 14 auf, wobei der Schalter 14 über eine Kapazität 18 mit Mas
se 20 verbunden ist und gesteuert von der Steuerung 16 alternierend die Kapazi
tät 18 mit einer Eingangsspannung Vein 22 bzw. mit der integrierten Schaltung 10
verbindet.
Eine stromführende Speiseleitung 24 weist einen mit der Eingangsspannung Vein
22 verbundenen Eingangsknoten 26 und einen eine Ausgangsspannung Vaus 28
an die integrierte Schaltung 10 abgebenden Ausgangsknoten 30 auf, wobei der
Schalter 14 derart angeordnet ist, dass er die Speiseleitung 24 zwischen dem
Eingangsknoten 26 und dem Ausgangsknoten 30 unterbricht und in einer ersten
Stellung 32 die Kapazität 18 über einen ersten Speiseleitungsteil 34 mit dem Ein
gangsknoten 26 und in einer zweiten Stellung 36 über einen zweiten Speiselei
tungsteil 38 mit dem Ausgangsknoten 30 verbindet.
Der Spannungsumsetzer 12 weist ferner eine Eingangskapazität 40, welche zwi
schen dem Eingangsknoten 26 und der ersten Stellung 32 des Schalters 14 die
Speiseleitung 24 mit Masse 20 verbindet, sowie eine Ausgangskapazität 42 auf,
welche zwischen der zweiten Stellung 36 des Schalters 14 und dem Ausgangs
knoten 30 die Speiseleitung 34 mit Masse 20 verbindet.
Eine von Paul Kocher im Internet unter http://www.cryptography.com/dpa veröf
fentlichte "Differential Power Analysis" hat den Ansatz, dass neben den
Ein/Ausgangssignalen zusätzlich eine Stromaufnahme Ia bzw. Spannungseinbrü
che ΔUa einer Versorgungsspannung Ua der integrierten Schaltung analysiert wer
den. Der Erfolg dieser Analysemethode hängt davon ab, ob man eine Anzahl NA
von analogen (Ia(t) oder ΔUa(t)) Signalverläufen S(k,t) über die Zeit mit k = {1, . . .Na}
unterschiedlichen Operanden derart aufnehmen kann, dass eine Summenbildung
der Form
mit den Koeffizienten p(i,k) mit i = {0; 1, 2, . . .} möglich ist. Betrachtet man unter
schiedliche Signalverläufe S(k1,t1), S(k2,t1), S(k3,t1) . . . zum gleichen Zeitpunkt t = t1,
kann eine "Differential Power Analysis" nur funktionieren, wenn die integrierte
Schaltung in diesem Moment die gleiche Rechenoperation mit unterschiedlichen
Operanden k = {1, . . ., NA} ausführt, d. h. die Signalverläufe S(k,t) müssen genau
übereinandergelegt werden können. Dieses gilt nicht, nur für die Berechnung
selbst, sondern auch für die Ein- und Ausgabe von Daten.
Die Erfindung eliminiert die zeitlichen Variationen Ia(t) oder ΔUa(t) in dem Versor
gungsstrom und in der Versorgungsspannung, da von außen nur noch eine kon
stante Versorgungsspannung Uein bzw. ein gepulster Versorgungsstrom Iein ab
greifbar ist. Hierbei "puffert" der Spannungsumsetzer 12 charakteristische Anteile
in Spannung und Strom, welche für Operationen der integrierten Schaltung 10
charakteristisch sind, sozusagen ab.
Bei geeigneter Dimensionierung der Bauteile des Spannungsumsetzers 12 und
geeigneter Ansteuerung des Schalters 14 wird am Ausgangsknoten 30 eine Aus
gangsspannung Vaus 28 erzielt, welche kleiner oder gleich der Eingangsspannung
Vein 22 am Eingangsknoten 26 ist und eine vorbestimmte Genauigkeit erfüllt. Dies
wird beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation erzielt.
Der Schalter 14 steht zunächst in der ersten Stellung 32, wobei sich die Kapazität
18 auflädt. Anschließend wird der Schalter 14 in die zweite Stellung 36 gebracht,
wobei die Kapazität 18 ihre Ladung an den Ausgangsknoten 30 abgibt, der durch
die Ausgangskapazität 42 und eine Eigenkapazität der integrierten Schaltung 10
abgepuffert ist. Der Eingangsknoten ist durch die Eingangskapazität 40 abgepuf
fert.
Fig. 2 veranschaulicht den sich dadurch am Eingangsknoten 26 ergebenden Ein
gangsstrom Iein 44 sowie den sich am Ausgangsknoten 30 ergebenden Aus
gangsstrom Iaus 46. Diese Ströme 44, 46 sind jeweils über einer Zeitachse 48 auf
getragen. Von außen ist lediglich der Eingangsstrom Iein 44 zugänglich. Hierzu ist
beispielsweise der Spannungsumsetzer 12 selbst, ggf. mit der Steuerung 16, als
integrierte Schaltung ausgebildet oder zusätzlich in die integrierte Schaltung 10
integriert. Wie sich unmittelbar aus Fig. 2 ergibt, weist der Eingangsstrom Iein 44
keine von Operationen der integrierten Schaltung abhängigen Schwankungen in
seiner Amplitude auf sondern ist vielmehr in konstanter Höhe gepulst. Es könnte
höchstens noch eine Information über die Größe der Aktivität der integrierten
Schaltung 10, nicht jedoch über die in dieser durchgeführten Operationen selbst,
abgeleitet werden.
Zusammenfassend stellt der Spannungsumsetzer 12 einen Schutz vor "Differenti
al Power Analysis" zur Verfügung, welcher Strom- bzw. Spannungsschwankungen
in der Versorgungsspannung Vaus 28 der integrierten Schaltung 10 derart nach
außen abschirmt, dass charakteristische Anteile des Stromverbrauchs unterdrückt
sind. Daher bleibt eine "Differential Power Analysis" mangels extrahierbarer In
formationen im Stromverbrauch erfolglos.
100
Datenverarbeitungseinrichtung
10
integrierte Schaltung
12
Spannungsumsetzer
14
Schalter
16
Steuerung
18
Kapazität
20
Masse
22
Eingangsspannung Vein
24
Speiseleitung
26
Eingangsknoten
28
Ausgangsspannung Vaus
30
Ausgangsknoten
32
erste Stellung des Schalters
34
erster Speiseleitungsteil
36
zweite Stellung des Schalters
38
zweiter Speiseleitungsteil
40
Eingangskapazität
42
Ausgangskapazität
44
Eingangsstrom Iein
46
Ausgangsstrom Iaus
48
Zeitachse
Claims (6)
1. Datenverarbeitungseinrichtung (100), insbesondere Chipkarte, mit einer
integrierten Schaltung (10) und einer Stromversorgung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromversorgung einen Spannungsumsetzer (12) aufweist, welcher ei
nen Ausgangsstrom Iaus (46), der die integrierte Schaltung (10) versorgt, in
einen gepulsten Eingangsstrom Iein (44) mit Vaus ≦ Vein umsetzt.
2. Datenverarbeitungseinrichtung (100) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsumsetzer (12) einen Schalter (14) und eine Steuerung (16)
für den Schalter (14) aufweist, wobei der Schalter (14) über eine Kapazität
(18) mit Masse (20) verbunden ist und gesteuert von der Steuerung (16)
alternierend die Kapazität (18) mit der Eingangsspannung Vein (22) bzw. mit
der integrierten Schaltung (10) verbindet.
3. Datenverarbeitungseinrichtung (100) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsumsetzer (12) eine stromführende Speiseleitung (24, 34, 38)
mit einem, mit der Eingangsspannung Vein (22) verbundenen, Eingangs
knoten (26) und einem die Ausgangsspannung Vaus (28) an die integrierte
Schaltung (10) abgebenden, Ausgangsknoten (30) aufweist, wobei der
Schalter (14) derart angeordnet ist, dass er die Speiseleitung (24) zwischen
dem Eingangsknoten (26) und dem Ausgangsknoten (30) unterbricht und in
einer ersten Stellung (32) die erste Kapazität (18) über einen ersten Spei
seleitungsteil (34) mit dem Eingangsknoten (26) und in einer zweiten Stel
lung (36) über einen zweiten Speiseleitungsteil (38) mit dem Ausgangs
knoten (30) verbindet.
4. Datenverarbeitungseinrichtung (100) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsumsetzer (12) eine Eingangskapazität (40) aufweist, welche
zwischen dem Eingangsknoten (26) und der ersten Stellung (32) des
Schalters (14) die Speiseleitung (24, 34) mit Masse (20) verbindet.
5. Datenverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsumsetzer (12) eine Ausgangskapazität (42) aufweist, welche
zwischen der zweiten Stellung (36) des Schalters (14) und dem Ausgangs
knoten (30) die Speiseleitung (24, 38) mit Masse (20) verbindet.
6. Verfahren zur Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung, insbe
sondere in einer Chipkarte,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Eingangsspannung Vein zu einer pulsweitenmodulierten Ausgangs
spannung Vaus umgesetzt und an die integrierte Schaltung gegeben wird.
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19936919A DE19936919A1 (de) | 1998-09-30 | 1999-08-05 | Datenverarbeitungseinrichtung und Verfahren zu deren Spannungsversorgung |
US09/555,307 US6320770B1 (en) | 1998-09-30 | 1999-09-20 | Data processing device and method for the voltage supply of same |
JP2000572792A JP2002526839A (ja) | 1999-08-05 | 1999-09-20 | データ処理装置及びその電圧供給方法 |
PCT/EP1999/007018 WO2000019366A1 (de) | 1998-09-30 | 1999-09-20 | Datenverarbeitungseinrichtung und verfahren zu deren spannungsversorgung |
DE59914771T DE59914771D1 (de) | 1998-09-30 | 1999-09-20 | Datenverarbeitungseinrichtung und verfahren zu deren spannungsversorgung |
AT99969812T ATE397254T1 (de) | 1998-09-30 | 1999-09-20 | Datenverarbeitungseinrichtung und verfahren zu deren spannungsversorgung |
EP19990969812 EP1044426B1 (de) | 1998-09-30 | 1999-09-20 | Datenverarbeitungseinrichtung und verfahren zu deren spannungsversorgung |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19845049 | 1998-09-30 | ||
DE19936919A DE19936919A1 (de) | 1998-09-30 | 1999-08-05 | Datenverarbeitungseinrichtung und Verfahren zu deren Spannungsversorgung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19936919A1 true DE19936919A1 (de) | 2000-04-06 |
Family
ID=7882936
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19936919A Withdrawn DE19936919A1 (de) | 1998-09-30 | 1999-08-05 | Datenverarbeitungseinrichtung und Verfahren zu deren Spannungsversorgung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19936919A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001093192A1 (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Data carrier for the adaptation of a consumption time interval to the power consumption of the data carrier |
-
1999
- 1999-08-05 DE DE19936919A patent/DE19936919A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2001093192A1 (en) * | 2000-05-31 | 2001-12-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Data carrier for the adaptation of a consumption time interval to the power consumption of the data carrier |
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