【摘 要】
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随着集成电路（Integrated Circuit,IC）规模不断扩大,单一设计团队从零开始完成整块芯片系统的设计变得越来越困难了。因此芯片设计方通常直接购买商业知识产权（Intellectual Property,IP）核来实现部分模块功能,全球供应链由此产生。但随之而来的问题是芯片安全在全球供应链中频繁受到各种威胁。IP发布者可能通过恶意篡改IP核达到窃取后续流程信息的目的。芯片设计方、芯片制
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随着集成电路（Integrated Circuit,IC）规模不断扩大,单一设计团队从零开始完成整块芯片系统的设计变得越来越困难了。因此芯片设计方通常直接购买商业知识产权（Intellectual Property,IP）核来实现部分模块功能,全球供应链由此产生。但随之而来的问题是芯片安全在全球供应链中频繁受到各种威胁。IP发布者可能通过恶意篡改IP核达到窃取后续流程信息的目的。芯片设计方、芯片制造方以及芯片封装方通过接触整个芯片的信息,可能进行逆向工程（Reverse Engineering,RE）、IP过度使用和非法复制等攻击。现有的硬件混淆技术主要是从物理级、逻辑级和行为级等进行混淆,然而这些混淆方式都是单级混淆,安全性低且各级之间没有形成优势互补。对此,本项研究利用各级之间的优势互补,提出多级协同混淆方法,提高硬件IP核安全性,维护设计方以及IP发布者的合法利益。论文研究内容主要包含以下几个部分:1.基于阈值控制的电路级混淆芯片设计:为了提高硬件电路抗功耗分析和逆向工程等的能力,提出基于阈值控制的电路级混淆芯片。该芯片的基本单元电路采用对称的差分下拉网络,利用阈值电压定义功率平衡策略来实现芯片功能。拟议的阈值电压定义功率平衡芯片的核心区域约占0.0044mm~2,单元门电路的平均相似度为99.68%,在1.2V标准电压下每个时钟周期内的功耗为0.455m W,归一化能量偏差（Normalized Energy Deviation,NED）为0.1072%,归一化标准差（Normalized Standard Deviation,NSD）为0.0453%,有效抵抗功耗攻击与逆向工程攻击。2.基于RM逻辑伪装门的逻辑级混淆设计:为了提高硬件IP核抗逆向工程和暴力攻击的能力,通过对逻辑混淆技术的研究,提出一种基于RM（Reed-Muller,RM）伪装门的逻辑级混淆设计方案。该方案首先在同一版图上采用不同虚拟孔配置完成基本单元异或门/与门的设计,并提取逻辑混淆单元的特征信息制作标准物理库和时序库;然后利用随机插入算法将混淆标准单元电路应用于电路网表;最后采用基准电路验证所提方案的有效性。仿真结果显示,RM逻辑伪装门比标准单元库的版图相似度提高了14.36%,所设计的伪装门可以有效地防御逆向工程,提高了电路的硬件安全。3.基于多级协同混淆的硬件IP核安全防护设计:现有的硬件混淆技术主要是从物理级、逻辑级和行为级等进行混淆,然而这些混淆方式都是单级混淆,安全性低且各级之间没有形成优势互补。对此,本章从物理-电路-逻辑-行为级出发,根据各级之间的内在机制,提出多级协同混淆机制来有效保护硬件IP核。该方案首先对虚拟孔及相关电路的研究,实现版图的布局混淆;然后在电路级研究混淆单元在电路网表的替换及插入机制,实现物理-电路-逻辑三级联动的逻辑锁电路;最后结合密码算法和混淆状态机,实现物理-电路-逻辑-行为级的多级协同混淆的IP核的安全防护,并在ISCAS-89基准电路下进行验证与测试。实验结果表明,在较大规模的测试电路中功耗开销占比仅为5.1%,正确密钥和错误密钥下的Toggle寄存器翻转差异低于10%,可以有效防御逆向工程、SAT攻击和暴力攻击等,解决密钥泄露问题,提高硬件IP核的安全性能。本文研究将以集成电路IP硬核为主要研究对象,从物理级、电路级、逻辑级和行为级出发,揭示多级协同混淆的内在机制,突破IP硬核自主可控关键技术,为集成电路安全防护提供理论指导和关键技术。
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