JP3964389B2

JP3964389B2 - エネルギー制御された電子回路

Info

Publication number: JP3964389B2
Application number: JP2003502605A
Authority: JP
Inventors: エルベ，アスリット; ジャンセン，ノーベルト; ゼドラック，ホルガー
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: EP1410158A2; US7395439B2; WO2002099554A2; ATE284058T1; WO2002099554A3; KR100618733B1; AU2002317779A1; BR0210183A; CN100458658C; UA74641C2; MXPA03011218A; TWI227000B; RU2003137831A; JP2005503605A; DE10127423B4; DE10127423A1; CN1552013A; US20040139358A1; DE50201695D1; RU2271563C2

Description

発明の詳細な説明

本発明は、１つの制御装置（Controller）を備えた電子回路（elektronische Schaltung）、および、特に、これらの電子回路中の制御装置の制御に関するものである。

キャッシュレスの（bargeldlosen）支払い処理（Zahlungsverkehrs）、公衆通信回線を介した電子データ伝送、および、公衆通信回線を介したクレジットカード番号の交換が、ますます普及することによって、デジタル署名、認証、または、暗号化タスク（Verschluesselungsaufgaben）を実行できるように、暗号化アルゴリズムの必要性が増している。公知の暗号化アルゴリズムには、非対称暗号化アルゴリズム（例えばＲＳＡアルゴリズムまたは楕円曲線に基づく方法）、または、対称暗号化方法（例えばＤＥＳまたはＡＥＳ標準にしたがった暗号化方法）がある。

暗号化アルゴリズムによって規定された計算を、日常生活において（im Alltag）許容できる速度で実行できるように、特に暗号化制御装置（Kryptographiecontroller）が提供されている。このような暗号化制御装置は、例えば、チップカード（例えばＳＩＭカードまたは署名カード）中で、例えば携帯電話による支払い、ホームバンキング取引（Homebankingtransaktionen）、または、法的拘束力のある電子署名に用いられる。あるいは、暗号化制御装置が、コンピュータまたはサーバーにおいてセキュリティＩＣとして用いられることによって、認証を実行したり、例えばクレジットカード番号の確実な伝送、機密内容（geheimen Inhalts）の電子メール（Emails）の伝送、および、インターネットを介した確実なキャッシュレス支払い処理の可能な、暗号化タスクを実行したりすることができる。

暗号化制御装置が、ユーザーの高い要望を満たし、市場に定着できるように、暗号化制御装置に対して高い要求が設定される。外からの攻撃（Fremdattacken）に対してアルゴリズムのセキュリティを高めることができるように、暗号化制御装置には、例えば、かなりの計算能力（Rechenleistung）が必要とされる。なぜなら、暗号化アルゴリズム（例えば公知のＲＳＡアルゴリズム）のセキュリティが、通常、使用されたキーのビット長に応じて決定的に変化するからであり、その結果として、暗号化アルゴリズムを実行する暗号化制御装置が、できる限り長い長さの数（Zahlen）を処理できる必要があるからである。ＲＳＡアルゴリズムでは、例えば、１０２４ビットの、または、２０４８ビットまでのキービット長が主流である。これに対して、現在の多目的のプロセッサーは、８ビット数、３２ビット数、または、最大６４ビット数で駆動している。

さらに、それぞれの暗号化アルゴリズムに必要な計算を適切な時間内に実行できるように、暗号化制御装置の計算能力は高くなければならない。認証検査または支払い処理を数分間待たなければならないということが、例えば、ユーザーにとっては負担（unzumutbar）だろう。この計算能力を高めるために、公知の暗号化制御装置は、実行される計算操作（Rechenoperationen）の多くを平行して処理することによって、計算速度を上げることができる。

チップカード（例えばＳＩＭカードまたは署名カード）中の暗号化制御装置を使用する際、暗号化処理装置は、大量生産物としてコストをかけずに製造できる物でなければならないということから、付加的な問題が生じる。すなわち、暗号化処理装置は、計算の複雑なアルゴリズムをできる限り短時間で処理する必要があるにもかかわらず、逆に、電子回路は、複雑すぎてはいけないし、これに伴って、コストのかかるものではいけない。

暗号化制御装置を設計する際の他の問題は、一般的に多くの通常の暗号化アルゴリズムが共存していること（Koexistenz）から生じる。チップカードの場合、例えば、最も標準的な暗号化アルゴリズムを実行できるとともに結果的に広範囲の有用性を有し、ユーザーにとって使いやすい（Anwenderfreundlichkeit）暗号化制御装置が、市場で普及するだろう。そのような「多機能の」暗号化制御装置によって、例えば、ユーザーが、特別なアプリケーション（Anwendung）または特別な暗号化方法のためにそれぞれ備えられているチップカードを、いくつか携帯する必要がなくなる。しかし、そのような多機能の暗号化制御装置は、多面的に用いられるので、多くの暗号化アルゴリズム用の複数の計算操作ができる必要がある。このことによって、複雑さが増し、電子回路の速度は低減してしまう。

一方で多機能性が高く、他方で処理速度の速い、暗号化制御装置を、中央処理装置と１つ以上のコプロセッサー（Coprozessoren）との組み合わせ（Verbund）から設計できる。これらのコプロセッサーは、例えば近年のＰＣだけでなく、近年のグラフィックカード（Graphikkarten）の場合のように、平行して駆動しており、また、バスシステム（Bussystem）を介して相互に接続されている。これらのコプロセッサーは、これに関して、特定の暗号化アルゴリズムまたは特定の計算操作（例えばモジュラ乗算または算術乗算）に関連している複雑な計算タスクを負担する（uebernehmen）。

暗号化制御装置が克服しなければならない付加的な問題は、暗号化制御装置の利用できるエネルギーが制限されていることである。接触している（kontaktbehaftete）チップカード用の端末は、例えば、数ｍＡの最大電流を供給している。非接触型アプリケーション（kontaktlosen Anwendung）および移動式アプリケーション（mobilen Anwendungen）（例えば携帯電話のＳＩＭカード）では、電流を１０ｍＡ未満に制限できる。従って、コプロセッサーの計算速度は、利用できる電力によって制限されている。ＣＰＵおよび暗号コプロセッサーを記録する（getaktet）クロック周波数も、利用できるエネルギーによる制限を受ける。なぜなら、ＣＭＯＳ技術における制御装置チップを実施する際、電流消費は、クロック周波数またはＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数（Umschaltfrequenz）に応じて変化するからである。

利用できるエネルギーが低いというだけではなく、非接触型アプリケーションおよび移動式アプリケーションの場合には、さらに変化、または、減少するという問題に対して、従来の暗号化制御装置の場合、暗号化処理装置を、特定の最小のエネルギー供給用に設計することによってのみ対処している。全暗号化制御装置（つまり、ＣＰＵおよび暗号コプロセッサー）は、固定されたクロック周波数で、調整されたクロック周波数に必要なエネルギーが最小エネルギーに相当するように、記録される（クロックされる）。その結果、利用できるエネルギーが十分なものである場合、すなわち、利用できるエネルギーが最小エネルギー以上である場合にのみ、回路の操作が可能である。さらに、コプロセッサーが一定に記録（クロック）されているので、暗号化制御装置の操作に必要不可欠なエネルギーは、暗号化制御装置タスクとは無関係である。その結果、複雑なＲＳＡ暗号化アプリケーションのために、あまり複雑ではない楕円形曲線に基づく計算に必要なエネルギーと同じだけのエネルギーが必要である。さらに、利用できるエネルギーが、暗号化制御装置の操作に必要なエネルギーを上回る場合、付加的に利用できるエネルギーは損失し、使用されないまま残存する。

チップカードおよびセキュリティＩＣ製造者にとって、エネルギーをより好適に利用する暗号化制御装置は、大きな意味を持つものである。なぜなら、その結果、計算速度が上昇し、これに伴って端子における待機時間（Wartezeiten）が上昇(erhoeht)し、使用者にとってより使いやすいものとなるからである。また、計算速度が同じ場合には、回路の複雑さ（Schaltungskomplexitaet）とこれに伴う制御装置のコストとを削減でき、このことは、特に、大量生産の場合に利点である。

本発明の目的は、電子回路と電子回路の制御方法を提供することであり、その結果、利用できるエネルギーが同じ場合に、計算性能が向上する。

上記目的は、請求項１〜３に記載の電子回路および請求項１１に記載の方法によって達成される。

本発明の電子回路は、プロセッサータスク(Prozessoraufgabe)を処理するための制御装置(Controller)と、上記制御装置の利用できるエネルギー(fuer den Controller zur Verfuegung stehenden Energie)を割り出すためのエネルギー決定手段（Energiebestimmungseinrichtung）とを備えている。電子回路の制御手段（Steuereinrichtung）は、制御装置の利用できるエネルギーに応じて制御装置を制御する。

プロセッサータスクを処理するために制御装置を備える電子回路を制御するための本発明の方法は、制御装置の利用できるエネルギーを割り出すステップと、上記制御装置の利用できるエネルギーに応じて制御装置を制御するステップとを含んでいる。

本発明は、例えば、暗号化制御装置などの制御装置が利用できるエネルギーを割り出し、その割り出したエネルギーを、例えば、決定的な（massgeblichen）コプロセッサー、すなわち、上記のプロセッサータスクのために主に必要なコプロセッサーまたは他の周辺装置または制御装置のＣＰＵに最適に分配することによって、操作の計算時間を最適化できるという認識に基づいている。このため、電子回路には、エネルギー決定手段またはエネルギー測定器(Energiemesser)が加えられており、その結果、電子回路がより複雑になっている。しかし、エネルギーを最適に利用することによって、回路の複雑さが同じである場合には、計算性能が向上し、計算性能が同じである場合には、回路の複雑さが減少する。

一実施形態では、制御装置を操作するために用いる制御装置クロック（Controllertakt）を、利用できるエネルギーがより多い場合には上昇させ、利用できるエネルギーがより少ない場合には減少させることによって、制御装置の利用できるエネルギーに応じて制御装置を制御する。言い換えると、利用可能なエネルギーを最も好適に利用するために、制御装置クロックは、利用できると割り出されたエネルギーに追従して設定される（nachgefuehrt）。上記のことは、非接触型端子(Kontaktlosterminals)において使用するために備えられているチップカードにおいて電子回路を使用する場合に特に利点である。なぜなら、この場合、利用できるエネルギーは、チップカードと非接触型端子との間の距離に応じているからであり、その結果、強い変動を受けているからである。さらに、チップカードの場合、エネルギーを最適に利用することによって、チップカード使用者が端子において待機する時間を短縮でき、その結果、チップカードは、使用者にとって使用しやすいものとなる。

他の実施例では、制御装置が、複数の周辺装置を備えている。例えば、関連タスクを実行するための周辺装置としては、端子とのデータ交換のためのＵＡＲＴモジュール（ＵＡＲＴ＝universal asynchoronous Receiver-transmitter＝普遍的非同期受信送信機）、安全性に関して重要な（sicherheitskritischer）パラメータを再試験するためのセンサー素子、乱数生成機、フィルターまたはコプロセッサーなどが挙げられる。また、計算タスクを実行するための周辺装置としては、例えば、ＤＥＳ，ＲＳＡまたはハッシュモジュール（Hash-Modul）、および、複数の周辺装置を駆動するためのＣＰＵなどが挙げられる。この際、制御装置は、プロセッサータスク、関連付けられているタスク、および、制御装置の利用できるエネルギーに応じて制御される。上記制御は、プロセッサータスクを実行するために必要な計算時間を短縮するとともに、利用できるエネルギーは十分であるように実行できる。このことは、利用できると割り出されたエネルギーを、常に、アプリケーション（Applikation）、または、プロセッサータスクのために、最も高いエネルギー、または、計算性能を必要とする周辺装置またはコプロセッサーのために主に使用することにより達成される。なお、上記アプリケーションまたはプロセッサータスクとは、ＤＥＳ基準、ＡＥＳ方法、ＲＳＡアルゴリズムまたは楕円形曲線方法だけではなく、データ伝送にも基づく暗号化、解号化、認証または署名などである。言い換えれば、制御装置がプロセッサータスクを処理するために利用できるエネルギーは十分であるとともに、計算タスクを実行するための各周辺装置または各コプロセッサーには、最大限のエネルギーが割り当てられているように、制御装置を制御する。

例えば、ＲＳＡ暗号化の間にＣＰＵが成し遂げる仕事は少数なので、ＣＰＵを低く記録（クロック）し、モジュラ乗算のための周辺装置、すなわち、当該コプロセッサーを、高く記録する（クロックする）ことによって、一実施例では、例えば、利用できるエネルギーが、周辺装置と制御装置のＣＰＵとの間で分配されている。同じく、他の実施例では、例えば、楕円形曲線暗号化の間に、そのために供えられている主なコプロセッサーを高く記録（クロック）し、サブ計算のために必要なコプロセッサーを低く記録する（クロックする）ことによって、利用できるエネルギーが、特に、２つの周辺装置の間で分配されている。従って、要するに、最適にエネルギーを使用する場合、必要な計算時間が短縮される。

本発明の他の好ましい設計と、変形態とを、添付の請求項に記載する。

本発明の好ましい実施例を、添付の図を参照しながら、以下に詳しく説明する。図１は、本発明の電子回路のエネルギー制御とその利点を説明するためのフローチャートである。図２は、本発明の一実施例の電子回路を示すブロック図である。図３は、図２の電子回路においてクロック制御を行うために使用されるＰＬＬのブロック図である。図４は、電子回路がチップカード上に配置されている場合、実際のプロセッサータスクに関連する周辺機器を記録する（クロックする）ことのできるクロック周波数が、非接触型端子までの距離に依存していることを概略的に示す図である。

まず、図１を参照しながら、本発明のエネルギー制御、および、それにより生じる利点について説明する。さらに、図２および図３を参照しながら、本発明の電子回路の実施例について説明する。続いて、図４を参照しながら、非接触型アプリケーション（Kontaktlosanwendungen）に、本発明のエネルギー制御を適用することについて説明する。

本発明は、プロセッサータスクを処理するために制御装置が備えられている全ての電子回路に適用できるが、以下の説明は、特に、暗号化に関するものであり、以下では、制御装置を、暗号化プロセッサーまたは暗号化制御装置と呼ぶことがある。しかし、以下の説明を、例えば、ラップトップコンピュータ（Laptop）におけるグラフィックカードのような他の分野に簡単に転用できる。

図１のフローチャートに示すように、本発明のエネルギー制御は、電子回路の利用できるエネルギーＥを割り出す査定工程１０から始まる。利用できるエネルギーＥは、様々な理由から変動することがある。電子回路を接触端子のためのチップカードにおいて使用する場合、利用できるエネルギーは、例えば、端子毎に、または、接触端子と電子回路との間の接触品質のばらつき（Kontaktgueteschwankungen）に起因して、変動する。図４を参照しながら詳しく説明するように、非接触型アプリケーションの場合、利用できるエネルギーＥは、チップカードの非接触型端子インターフェース（Kontaktlosterminalschnittstelle）と、非接触型端子との距離に依存している。例えば、携帯電話機（Handy）やラップトップコンピュータなどの移動式アプリケーションの場合、電池の放電が増加するのに伴って、利用できるエネルギーが減少する（auftreten）。査定自体は、様々な方法、または、様々な装置を用いて行える。この際、例えば、入力電圧、または、入力連結される（eingekoppleter）電流などの様々なパラメータを、利用できるエネルギーの測定値（Mass）として使用できる。

次に、工程２０では、電子回路の制御装置を、工程１０において利用できると査定されたエネルギーＥに応じて制御する。図１に、大括弧で示すように、制御装置の制御は、エネルギーＥに応じて、様々な方法で行われる。ただし、図１では、３つの可能性２０ａ、２０ｂおよび２０ｃだけを例として示している。制御装置を制御するための第１の可能性２０ａは、制御装置のクロック周波数を、利用できるエネルギーに応じて設定することである。クロック周波数の変更により、制御装置を構成している切り替え素子（Schaltelemente）の切り替え周波数（Umschaltfrequenz）が変更される。その結果、例えば、ＣＭＯＳ技術によって制御装置を構成（Implementierung）する場合、電流消費（Stromverbrauches）、または、電力消費（Leistungsverbrauches）が変化する。その結果、利用できるエネルギーがより少なくなる場合、クロック周波数を低く設定しなければならない。一方、利用できるエネルギーがより多くなる場合、クロック周波数、および、これに伴う計算速度を上昇できる。図２を参照しながら詳しく説明するように、制御装置が、複数の部品で構成されている場合、例えば、ＣＰＵまたはコプロセッサーのような周辺装置などの各部品のために、クロック周波数を個別に設定できる。様々な部品のクロック周波数を設定することにより、利用できるエネルギーを、最大限に利用でき、または、利用できるエネルギーを、実際のプロセッサータスクに必要な全ての部品に完全に分配できる。プロセッサータスクの計算時間を最適化するために、利用できるエネルギーを、様々なクロック周波数の設定によって、様々な部品に分配してもよい。その結果、利用できるエネルギーを最大限に利用し、個々の部品にエネルギーを同時に最適に分配することによって、計算時間が短縮される。

制御装置を制御するための第２の可能性２０ｂは、実際のプロセッサータスクに関係のない制御装置部品をスイッチオフすること（Ausschalten）である。無関係な制御装置部品は、待機状態（スリープモード；sleep mode）になるように、例えば、漏電流の少ないＦＥＴなどの付加的な切り替え素子により、供給電圧から遮断される。

制御装置を制御するためのほかの可能性２０ｃは、全制御装置または制御装置の個々の部品の供給電圧を設定することである。例えば、利用できるエネルギーが特定の閾値を下回る場合、供給電圧を、制御装置操作（Controllerbetriebs）の信頼性はより低くなるが、それでも供給電圧としては十分なより低い値に設定してもよい。さらに、電子回路のアナログ部品（例えば、電子回路の非接触型端子インターフェースのアナログ部分）のために、供給電圧を変更してもよい。

上述のように、図１を参照しながら説明したエネルギー制御の主な利点は、特定の最小供給エネルギーのために設計されている従来の電子回路とは対照的に、利用できるエネルギーＥを割り出し、さらに、制御装置の操作のために完全に使い切るという点である。このような方法によって、利用可能なエネルギーのうち最小供給エネルギーを上回る部分を、処理プロセッサータスクをより高速に処理するために使用できる。従って、従来の電気回路の場合には、システムの全体性能（Gesamtleistungsfaehigkeit）を決定的に（massgeblich）特定する特別な周辺装置は、ＣＰＵクロックの一定に予め決定された倍数で操作され、このことは、そのために利用できるエネルギーが十分なものである場合にのみ可能である。しかし、本発明のエネルギー制御により、エネルギーを余分に利用できる場合、個々の周辺装置は、利用できるエネルギーを最大限に、つまり、残存しないように利用するためにより高く記録（クロック）できる。

さらに、特定の暗号化アルゴリズムを実行するなどの実際のプロセッサータスクを考慮しながら、利用できると割り出されたエネルギーは、計算時間の最適化を鑑みて、主なコプロセッサーに最適に分配される。その結果、利用できるエネルギーを、残存しないように使い切るだけではなく、最適に利用または使用する。従って、エネルギーは同じままで制御装置の計算速度が上昇し、端子における使用者の待機時間（Benutzerwartezeit）を短縮できる。

図２を参照しながら、以下に、本発明の実施例の電子回路について説明する。本実施例では、電子回路が、暗号化プロセッサーを備え、電子回路は、非接触型端子の場合のアプリケーションに適したチップカード上に配置されている。

図２から分かるように、電子回路は、非接触型端子インターフェース１００、および、暗号化プロセッサーを備えている。暗号化プロセッサーは、ＣＰＵ１１０、および、例えば、暗号コプロセッサー、ＲＮＳ生成機またはＵＡＲＴモジュールなどの周辺装置１２０により構成されている。なお、以下では、表示を簡単にするため、暗号コプロセッサーを、周辺装置とする。ＣＰＵ１１０および暗号コプロセッサー１２０には、クロック多重化器（Taktvervielfacher）１３０、１４０がそれぞれ割り当てられている。クロック多重化器１３０、１４０は、クロック信号Ｔａｋｔ_ｃｐｕ、Ｔａｋｔ_{Ｋｒｙｐｔｏ}（Ｔａｋｔ_{ｃｒｙｐｔｏ}）を、ＣＰＵ１１０および暗号コプロセッサー１２０へ出力する。この際、クロック多重化器の代わりに、クロック生成機も使用できる。非接触型端子インターフェース１は、非接触型端子（図示せず）の電磁エネルギー１０５を、電子回路に供給するための電気エネルギーに変換するために配置されているものであって、例えば、アンテナ、整流機、低パスフィルター（Tiefpassfilter）により構成されており、供給電力をクロック多重化器１３０，１４０へ供給するとともに、エネルギー測定器、または、エネルギー決定手段１５０へも供給する。クロック多重化器１３０，１４０のクロック信号のクロック周波数であって、ＣＰＵ１１０およびコプロセッサー１２０へ出力される周波数を制御するために、エネルギー測定器１５０は、非接触型端子インターフェース１００からの供給エネルギー、または、利用できるエネルギーに応じて、制御信号ＶＣ_ｃｐｕおよびＶＣ_{Ｋｒｙｐｔｏ}を、２つのクロック多重化器１３０，１４０へ出力する。

ＣＰＵ１１０と暗号コプロセッサー１２０とにより構成される暗号化プロセッサーは、特定のプロセッサータスクの処理に適している。特定のプロセッサータスクとは、例えば、ＤＥＳ基準、ＡＥＳ方法、ＲＳＡアルゴリズムまたは楕円形曲線方法（Elliptischen-Kurven-Verfahren）に基づく暗号化、解号化、認証または署名などである。同じく、暗号コプロセッサー１２０は、例えば、モジュラまたは算術の加算、乗算、累乗または否定演算（Inversbildung）、ハッシュ値計算（Hash-Wertberechnung）などの特定の計算タスクを実行するために備えられている。周辺装置１２０の場合、周辺装置は、例えば、ＲＮＳ生成機、ＵＡＲＴまたはセンサーでもよい。一般的に、暗号コプロセッサー１２０の計算タスクは、ＣＰＵ１１０の制御タスクよりも明らかに複雑な計算である。なお、ＣＰＵ１１０の制御タスクとは、例えば、命令、データ、またはそのほかの情報を、バス（図示せず）を介して暗号コプロセッサー１２０へ出力することにより、暗号コプロセッサー１２０を駆動することである。

暗号コプロセッサーの合計計算速度（Gesamtrechengeschwindigkeit）を上げるため、非接触型端子インターフェース１００が電磁エネルギー(elektromagnetischen Energie)１０５から得る電気エネルギー(elektrische Energie)を、エネルギー測定器１５０によって割り出し、クロック多重化器１３０，１４０によって、ＣＰＵ１１０と暗号コプロセッサー１２０とに以下のように分配する。すなわち、ＣＰＵには最小限のエネルギーが供給され、暗号コプロセッサー１２０は、最大限のエネルギーを利用できるようにエネルギーが分配される。上記の場合では、利用できるエネルギーを、ＣＰＵ１１０と暗号コプロセッサー１２０とに分配する際に、部品のクロック信号であるＴａｋｔ_ｃｐｕおよびＴａｋｔ_{Ｋｒｙｐｔｏ}のクロック周波数の変更は、部品のエネルギー消費をさらに決定するという事実が利用される。ＣＭＯＳ技術により暗号化プロセッサーを構成する場合、エネルギーの消耗は、例えば、個々のＭＯＳＦＥＴの切り替え周波数に応じている。従って、暗号コプロセッサー１２０をできるだけ速く記録する（クロックする）ことにより、利用できるエネルギーが完全に利用される。その結果、計算速度を迅速にできる。

図２に記載の実施例では、クロック多重化器１３０，１４０が、以下のように設計されている。即ち、クロック多重化器１３０，１４０は、同じ制御信号の場合、クロック周波数が、一定の倍数ｎだけ異なっているクロック信号Ｔａｃｔ_ｃｐｕ，Ｔａｃｔ_{Ｋｒｙｐｔｏ}を出力するように設計されている。エネルギー測定器１５０は、非接触型端子インターフェース１００からの供給エネルギーを、同じ高さの制御信号ＶＣ_ｃｐｕおよびＶＣ_{ｋｒｙｐｔｏ}（ＶＣ_{ｃｒｙｐｔｏ}）に変換する。その結果、Ｔａｋｔ_{Ｋｒｙｐｔｏ}＝ｎ^＊Ｔａｋｔ_ｃｐｕの関係が該当する。しかし、さらに、エネルギー測定器１５０は、高さの異なるクロック信号ＶＣ_ｃｐｕおよびＶＣ_{Ｋｒｙｐｔｏ}を、クロック多重化器１３０，１４０へ出力することもできる。エネルギー測定器１５０は、調整器（Regler）として構成されているか、あるいは、Ａ／Ｄ変換機を備えている。なお、上記調整器とは、非接触型端子インターフェース１００から受信した供給エネルギーを、例えば線形調整器（Linearregler）などの回路設計（Schaltungsentwurf）によって特定した方法で、適切な電圧信号に変換するものである。また、上記Ａ／Ｄ変換機は、供給エネルギーをデジタル制御信号ＣＶ_ｃｐｕ、ＶＣ_{Ｋｒｙｐｔｏ}に変換するために備えられている。デジタル信号の場合、参照テーブル（Nachschlagtabelle）が備えられていてもよい。この参照テーブルには、特定の供給エネルギー範囲のための制御信号ＶＣ_ｃｐｕ、ＣＶ_{Ｋｒｙｐｔｏ}が記憶されている。これら制御信号は、各供給エネルギー範囲のための暗号化プロセッサーの最適な計算時間を保証する。

図２のクロック多重化器１３０，１４０は、ＰＬＬの形状に形成されている。ＰＬＬは、入力周波数を、有理数の倍数ｎ／ｍだけクロック周波数多重化（Taktfrequenzvervielfachung）できる。入力周波数は、例えば、非接触型端子インターフェース１００により生成されるクロック信号により予め設定されている。従って、クロック多重化器１３０，１４０は、入力周波数のクロック信号ｆ_ｉｎを、出力周波数ｆ_ｏｕｔ＝ｎ／ｍ×ｆ_０に変換する。クロック多重化器１３０，１４０のブロック図を、図３に示す。図から分かるように、各クロック多重化器は、入力部ＩＮ２００、入力部ＩＮｎおよびＩＮｍ、および、出力部ＯＵＴを備えている。上記入力部ＩＮ２００に、入力部周波数ｆ_ｉｎのクロック信号が印加される（anliegt）。上記入力部ＩＮｎおよびＩＮｍに、入力周波数（ｆ_ｉｎ）と出力部周波数（ｆ_ｏｕｔ）との間に、有理数の倍数の分子の値ｎ、および、分母の値ｍが印加される。上記出力部ＯＵＴに、クロック周波数ｆ_ｏｕｔを有するクロック信号が出力される。上記回路は、周波数分割器２２０と共に、ＰＬＬを備えている。ＰＬＬは、電圧制御発振器ＶＣＯ２３０、周波数分割器２４０、ＸＯＲ回路２５０および調整器２６０により構成されている。周波数分割器２２０の一方の入力部は、入力部ＩＮ２００と接続されており、他の入力部は、入力部ＩＮｍ２１０と接続されている。周波数分割器２２０は、周波数ｆ_ｉｎ／ｍの出力信号を、出力部に出力する。上記出力部は、ＸＯＲ回路２５０の入力部と接続されている。ＸＯＲ回路２５０のほかの入力部は、周波数分割器２４０の出力部と接続されている。周波数分割器２４０の２つの入力部は、入力部ＩＮｎ２０５およびＶＣＯ２３０の出力部と接続されている。ＶＣＯ２３０の入力部は、調整器２６０を介して、ＸＯＲ回路２５０の出力部と接続されている。さらに、ＶＣＯ２３０の出力部は、出力部ＯＵＴ２１５と接続されている。

さて、以下に、図３の回路の操作方法（Funktionsweise）について説明する。制御信号ＶＣ_ｃｐｕ，ＶＣ_{Ｋｒｙｐｔｏ}（図２参照）により制御される制御入力部ＩＮｎ，ＩＮｍは、分割器比率ｎ，ｍ（ｎ，ｍ∈１，２，３．．．）を設定するために使用できる。こられ分割器比率により、周波数分割器２２０，２４０は、入力部２００における入力クロック信号の周波数、または、発振器２３０の出力信号を分割する。ＶＣＯ２３０の出力信号が、出力信号ｆ_ｏｕｔ＝ｎ／ｍ×ｆ_０である場合、ＸＯＲ回路２５０の２つの入力部に、同一のクロック周波数ｆ_ｉｎ／ｍおよび位相を有する同じ信号が加えられる。そうでない場合、入力クロック信号と出力クロック信号との分割器比率が、望ましいものとなるように、電圧制御発振器２３０は、ＸＯＲ回路２５０により、調整器２６０と連動して、再調整（nachgeregelt）される。出力部ＯＵＴに印加されるクロック信号は、所望の周波数ｆ_ｏｕｔである。

上述のような回路構造（Schaltungsaufbau）、および、図２の電子回路の操作方法を説明した後、以下に図４を参考にしながら、非接触型端子のためのチップカードにおける電子回路の有利な利用について説明する。

図４は、自身の上に図２の電子回路が配置されているチップカードを概略的に示す。上記チップカードは、非接触型端子（Kontaktlosterminal）３１０に関する３つの位置３００ａ，３００ｂ，３００ｃに配置されている。非接触型端子３１０は、特定の周波数を有する電磁線（elektromagnetische Strahlung）３２０を放射する。図４において双方向の矢印（Doppelpfeile）で示すように、様々な位置３００ａ〜３００ｃは、様々な間隔、すなわち、非接触型端子３１０から１０ｃｍ、７ｃｍあるいは５ｃｍという間隔をそれぞれ有している。電子回路の非接触型端子インターフェース（図２参照）が電磁線３２０から得た、電子回路のために利用できるエネルギーＥは、非接触型端子３１０からのチップカードの距離ｄに依存している。従って、様々な位置３００ａ，３００ｂ，３００ｃでは、非接触型端子３１０からのチップカードの距離に応じて、電子回路の制御装置のために、より高いまたはより低いクロック周波数ｆ１，ｆ２またはｆ３が設定される。カードが、端子３１０からさらに離れている場合、電子回路が利用できるエネルギーは少なくなる。その結果、クロック周波数はより低いものでなければならない。端子３１０にカードがより近づくと、より多くのエネルギーが利用できるようになり、その結果、制御装置は、より高いクロック周波数により記録（クロック）できる。このような方法によって、クロック周波数は、利用できるエネルギーに常に適合されている。その結果、より多くのエネルギーを利用できる場合、演算時間を短縮できる。これとは対照的に、従来の暗号化チップカード解決策（Kryptographiechipkartenloesungen）の場合、例えば、固定されたクロック周波数などの一定のエネルギー消費が予め決定されている。なお、この予め決定されたエネルギー消費は、例えば、チップカードと端子３１０との特定の最大距離（maximale Entfernung）に相当し、このエネルギー消費は、最大限に距離をとった範囲（Entfernungsbereich）と出来るだけ高い計算能力との間で妥協（Kompromiss）したものである。その結果、暗号化プロセッサーの操作は、この範囲内においてのみ可能であって、距離がより短い場合には、余剰したエネルギーを全く変換することができなかった。

説明を簡単にするため、図２および図４を参照しながら、暗号化プロセッサーが、ＣＰＵと、周辺装置または暗号コプロセッサーとから構成されている場合だけを説明してきた。しかし、大抵の場合、暗号化プロセッサーは、複数の周辺装置、および、暗号コプロセッサーにより構成されている。このような場合、利用できるエネルギーは、エネルギーを最大限に利用すると演算時間が最短になるように、例えば、コプロセッサーに分配される。このことは、以下のことにより実現される。すなわち、エネルギー測定器が利用できると割り出したエネルギーをコプロセッサーとＣＰＵとに分配する際に、コプロセッサーの実際のプロセッサータスクおよび／または様々な計算タスクと、残りの周辺装置に割り当てられているタスクとをさらに考慮することにより実現される。次に、利用できるエネルギーは、アプリケーション（Applikation）またはプロセッサータスクのために最も必要である１つのコプロセッサーまたは複数のコプロセッサーのために使用される。認証を行う場合、例えば、暗号コプロセッサーに、最大限の可能なエネルギーが割り当てられる。一方、ＣＰＵおよび残りのコプロセッサーには、利用できるエネルギーの最小の割合が割り当てられている。同じように、利用できるエネルギーは、できるだけ迅速に記録する（クロックする）ことにより、例えば、暗号化タスクの場合は、ＤＥＳモジュールに分配され、ハッシュ値の計算タスクの場合は、ハッシュモジュールに分配される。実際のプロセッサータスクに関連のないコプロセッサーは、漏電を防止するために供給電圧から分離することにより、スリープモードに切り替えたり、完全に遮断したりすることさえできる。

暗号コプロセッサー１２０に、クロック多重化器１４０が割り当てられている図２と全く同じように、各コプロセッサーに、クロック多重化器を割り当てることによって、利用できるエネルギーを、複数のコプロセッサーに最適に分配できる。コプロセッサーがプロセッサータスクを実施する際に順次使用される、または、ＣＰＵにより駆動される最も簡単な場合には、例えば、ＣＰＵを、クロック周波数ｆ_ｃｐｕにより操作できる。一方、プロセッサータスクにすぐに必要のないコプロセッサーは、遮断（abgeschaltet）されているか、または、周波数ｆ_ｃｐｕより操作できる。また、アプリケーションにすぐに必要な暗号コプロセッサーだけは、利用できるエネルギーをできるだけ残らないように使い切るように、より高いクロック周波数で記録（クロック）されている。言い換えれば、以下のようにコプロセッサーのクロック周波数を上昇または減少することで、計算速度を最適化し、エネルギーを最大限に利用できる。すなわち、現時点で主にプロセッサータスクに使用するコプロセッサーを、最大限可能なクロック周波数により記録（クロック）し、利用できる残りのエネルギーは、残りの必要な部品を操作するために十分なものであるようにクロック周波数を上昇または減少する。

暗号コプロセッサーを並行操作する場合、ルックアップテーブルにアクセスすることによって、利用できるエネルギーを暗号コプロセッサーに分配できる。上記ルックアップテーブルには、利用できるエネルギーの特定の領域用、および、暗号化プロセッサーによりカバー（unterstuetzte）されている特定のアプリケーション用に、暗号コプロサッサーのための最適な１セットのクロック周波数が記憶されている。クロック周波数の各セットは、割り当てられている利用できるエネルギーを、基本的に、関連付けられているアプリケーションにおいて関連付けられている計算タスクを必要とする暗号コプロセッサーに分配する。さらに、各セット内のクロック周波数は、このセットに関連付けられている利用できるエネルギーをほぼ残存しないように使い切るように、決定される。大抵の場合、複数の暗号コプロセッサーが、同じアプリケーションに関連付けられているか、あるいは、同じアプリケーションが必要とする計算タスクを実行するので、これら暗号コプロサッサーを、同じクロック、または、１つのＰＬＬによって記録（クロック）でき、あるいは、クロック周波数樹（Taktfrequenzbaumes）の形状で、相互に常に一定のクロック周波数比率（Taktfrequenzverhaeltnissen）により記録する（クロックする）。その結果、制御できるクロック周波数の割合が減少する。

上述したように、ＣＰＵ、および、１つまたは複数の暗号コプロセッサーのためのクロック信号をクロック設定するため、クロック多重化器または有理数の分割比率（rationale Teilerverhaeltnisse）のみを可能にするＰＬＬが使用されるにもかかわらず、さらに、上記のようなクロック多重化器またはＰＬＬの代わりに、発振器を使用することも出来る。なお、この発振器は、相互に無関係に制御することができるものである。その結果、制御装置部品のクロック周波数の間で、素数の（teilerfremde）分割比率もさらに可能である。上記に記載のクロック多重化器の場合と対照的な利点は、利用できるエネルギーを最適に使い切れることである。なぜなら、クロック周波数は、完全な有理数の倍数（ganzrationale Vielfache）だけではなく、素数によっても相互に設定できるからである。このようにエネルギーを最大限に利用することは、特に、非接触型アプリケーションおよび移動式アプリケーションなどのように、利用できるエネルギーが非常に制限されている場合のアプリケーションにおいて注目される。しかし、全ての、または、暗号コプロセッサーのグループのために、独自の発振器が供えられていることにより、当該暗号コプロセッサーを同期化（Einsynchronisieren）する必要がある。なぜなら、当該暗号コプロセッサーは、ＣＰＵとは非同期に（asynchron）記録（クロック）されているからである。当該暗号コプロセッサーのホストインターフェース（Host-Interface）における全ての入力部および出力部は、従って、適切な同期化装置を介して同期化されていなければならない。なお、適切な同期化装置とは、例えば、２つの前後に連続して接続されている同期化フリップフロップ（Synchronisations-Flip-Flop）により構成されるものである。

最後に、上記では、電子回路の制御装置がＣＰＵとコプロセッサーとを備える図２を参照しながら説明してきたが、コプロセッサーを備えていても備えていなくても任意の種類の制御装置が可能である。全ての制御装置をエネルギー制御するだけで、本発明の上記の利点の大部分が生じる。

さらに、図２では、電子回路が、回路基板（Schaltungsplatine）上に配置されていても、チップに集積されていてもよい。同じく、制御装置は、回路基板上に配置されている個々の部品、あるいは、個々のチップに集積されている個々の部品のどちらかにより構成することができる。

上記では、図２および図４を参照しながら、本発明を、非接触型アプリケーションに関連して説明してきたが、本発明は、さらに、接触端子の場合のアプリケーション、または、移動式アプリケーションに適用できる。その場合、図２の接触端子インターフェースは、単一接触部（enifachen Kontakt）に置き換えられる。

上記では、クロック多重化器は、電子回路に固定配線されていると説明してきたが、クロック多重化器は、配線接続によって電子回路と接続できるものであってもよいし、無線接続によって電子回路と接続できるものであってもよい。クロック多重化器または発振器は、各端子に備えられており、チップカードの使用の場合に初めて、端子において電子回路と相互作用するものであってもよい。

本発明の電子回路のエネルギー制御とその利点を説明するためのフローチャートである。本発明の一実施例の電子回路を示すブロック図である。図２の電子回路においてクロック制御を行うために使用されるＰＬＬのブロック図である。電子回路がチップカード上に配置されている場合、実際のプロセッサータスクに関連する周辺機器を記録する（クロックする）ことのできるクロック周波数が、非接触型端子までの距離に応じていることを概略的に示す図である。

符号の説明

１００非接触型端子インターフェース
１０５電磁エネルギー
１１０ＣＰＵ
１２０暗号コプロセッサーまたは周辺装置
１３０クロック多重化器
１４０クロック多重化器
１５０エネルギー測定器
２００入力部
２０５入力部
２１０入力部
２１５出力部
２２０周波数分割器
２３０ＶＣＯ
２４０周波数分轄器
２５０ＸＯＲ回路
２６０調整器
３００a 位置
３００b 位置
３００c 位置
３１０非接触型端子
３２０電磁放射線

Claims

中央処理ユニット（１１０）と、関連タスクを実行するための複数の周辺装置（１２０）とを備えており、複数の周辺装置（１２０）が、ＣＰＵである中央処理ユニット（１１０）によって制御され、中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置（１２０）を用いてプロセッサータスクを処理するための制御装置（１１０，１２０）と、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを受け取るためのインターフェースと、
複数の周辺装置（１２０）を制御することによって制御装置（１１０，１２０）を制御する制御手段（１３０，１４０，１５０）とを備えており、
上記制御手段は、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを割り出すためのエネルギー決定手段（１５０）と、
上記複数の周辺装置（１２０）を操作するために用いる周辺装置クロックのクロック周波数を個々に設定するための手段と、
個々の周辺装置（１２０）に対して供給する電圧を遮断するための手段とを備えているとともに、
クロック周波数を個々に設定するための上記手段（１４０）は、複数の周辺装置のそれぞれに接続された発振器を備えており、それぞれの発振器が、接続されている周辺装置（１２０）を操作するために用いられる出力クロック周波数を有するクロック信号を生成することにより、
利用できるエネルギーが各周辺装置に分配され、複数の周辺装置が制御される、電子回路。
中央処理ユニット（１１０）と、関連タスクを実行するための複数の周辺装置（１２０）とを備えており、複数の周辺装置（１２０）が、ＣＰＵである中央処理ユニット（１１０）によって制御され、中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置（１２０）を用いてプロセッサータスクを処理するための制御装置（１１０，１２０）と、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを受け取るためのインターフェースと、
複数の周辺装置（１２０）を制御することによって制御装置（１１０，１２０）を制御する制御手段（１３０，１４０，１５０）とを備えており、
上記制御手段は、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを割り出すためのエネルギー決定手段（１５０）と、
上記複数の周辺装置（１２０）を操作するために用いる周辺装置クロックのクロック周波数を個々に設定するための手段と、
個々の周辺装置（１２０）に対して供給する電圧を遮断するための手段とを備えているとともに、
クロック周波数を個々に設定するための上記手段（１４０）は、複数の周辺装置のそれぞれに接続されたクロック周波数多重化器を備えており、それぞれのクロック周波数多重化器が、その接続されている周辺装置（１２０）を操作するために用いられるクロック信号を生成することにより、
利用できるエネルギーが各周辺装置に分配され、複数の周辺装置が制御される、電子回路。
中央処理ユニット（１１０）と、関連タスクを実行するための複数の周辺装置（１２０）とを備えており、複数の周辺装置（１２０）が、ＣＰＵである中央処理ユニット（１１０）によって制御され、中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置（１２０）を用いてプロセッサータスクを処理するための制御装置（１１０，１２０）と、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを受け取るためのインターフェースと、
中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置（１２０）を制御することによって制御装置（１１０，１２０）を制御する制御手段（１３０，１４０，１５０）とを備えており、
上記制御手段は、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを割り出すためのエネルギー決定手段（１５０）と、
上記中央処理ユニット（１１０）を操作するために用いられる第１クロックのクロック周波数を設定するための第１手段（１３０）と、
上記複数の周辺装置（１２０）を操作するために用いられる第２クロックのクロック周波数を設定するための第２手段（１４０）とから構成され、
上記第１クロックのクロック周波数および第２クロックのクロック周波数が、制御装置によって消費されるエネルギーが利用できるエネルギーと同程度になり、かつ、制御装置がプロセッサータスクを実行するために最小時間を要するように設定されることにより、
利用できるエネルギーが各周辺装置に分配され、中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置が制御される、電子回路。
上記制御手段（１３０，１４０，１５０）は、プロセッサータスクのために上記制御装置（１１０，１２０）によって消費されるエネルギーを、上記制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーとほぼ等しくするように制御するために配置されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の電子回路。
上記制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを外部から供給される電磁エネルギー（１０５）から生成するためのエネルギー供給手段（１００）をさらに備えている、請求項１〜４の何れか１項に記載の電子回路。
インターフェースが非接触型端子インターフェースであり、
非接触型端子（３１０）と非接触型端子インターフェースとの間でエネルギーの授受を行う場合のアプリケーションに適している集積回路として形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の電子回路。
上記制御手段（１３０，１４０，１５０）は、制御装置（１１０，１２０）を操作するために用いられる制御装置クロックのクロック周波数を設定するための手段（１３０，１４０）を備え、
上記制御装置クロックのクロック周波数は、利用できるエネルギーが多い場合には上昇し、利用できるエネルギーが少ない場合には減少する、請求項１〜６のいずれかに記載の電子回路。
上記制御装置（１１０，１２０）が、ＣＭＯＳ技術により実施されている、請求項１〜７のいずれかに記載の電子回路。
上記制御装置（１１０，１２０）は、中央処理ユニット（１１０）と複数の周辺装置（１２０）とから構成されている暗号化プロセッサーであり、
上記複数の周辺装置（１２０）は、計算タスクを実行するための暗号コプロセッサー（１２０）であり、上記プロセッサータスクは、ＤＥＳ基準、ＡＥＳ方法、ＲＳＡアルゴリズムおよび楕円形曲線方法に基づく暗号化、解号化、認証および署名を含む群から選択され、
複数の暗号コプロセッサー（１２０）の計算タスクは、モジュラおよび非モジュラの加算、乗算、累乗および否定演算、ハッシュ値計算、および、乱数査定を含む群から選択される、請求項１〜８のいずれかに記載の電子回路。
電子回路が一つのチップに集積されているか、あるいは、回路基板上に配置されている個々の部品から構成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の電子回路。
中央処理ユニット（１１０）と、関連タスクを実行するための複数の周辺装置（１２０）とを有し、複数の周辺装置（１２０）が、ＣＰＵである中央処理ユニット（１１０）によって制御されており、上記制御装置は、利用できるエネルギーを受け取るためのインターフェースのみならず、中央処理ユニット及び複数の周辺装置を使用してプロセッサータスクを処理するためのものである、制御装置（１１０，１２０）を備える電子回路の制御方法であって、
制御装置（１１０，１２０）の利用できるエネルギーを割り出すステップ（１０）と、
複数の周辺装置（１２０）を制御することによって制御装置を制御するステップ（２０）とを含み、
上記の制御するステップは、上記中央処理ユニット（１１０）を操作するために用いられる第１クロックのクロック周波数を設定するためのステップと、上記複数の周辺装置（１２０）を操作するために用いられる第２クロックのクロック周波数を設定するためのステップとからなり、
上記第１クロックのクロック周波数および第２クロックのクロック周波数は、制御装置によって消費されるエネルギーが利用できるエネルギーと同程度になり、かつ、制御装置がプロセッサータスクを実行するために最小時間を要するように設定されることで、利用できるエネルギーを各周辺装置に分配し、中央処理ユニット（１１０）および複数の周辺装置（１２０）を制御する、方法。