静态随机访问存储器数据残留的安全策略研究

摘要

静态随机访问存储器（SRAM，Static Random Access Memory）是一种无需刷新、以随机顺序来读写存储单元的半导体存储器。由于其高速、低功耗的特点，SRAM被广泛地应用于高性能微处理器和各类消费电子产品中。通常认为，SRAM属于易失性半导体存储器。当电源移开时，存储器中数据表征的信息会随之消失。然而近年来，关于掉电后SRAM中存在数据残留的事实被不断地报道和探究，而且使用特殊方式可以将残留的数据恢复或者读取出来。在实际应用中，这给SRAM及其系统的安全性构成一定威胁。本论文将全面深入地论述SRAM中数据残留的安全策略设计与实现。
　　 首先，论述了各种具有代表性的针对SRAM进行的物理攻击方法，研究了各自的攻击原理。接着，基于半导体物理与器件理论和实验数据，给出了SRAM中数据残留的物理解释，以此为安全策略的设计提供理论基础。
　　 其次，对基于清零和改写两种安全策略的SRAM体系结构，片上能量获取、存储、转换系统，以及低压、高效率电荷泵升压电路等的核心关键技术进行了研究与设计。针对掉电后SRAM中数据残留采用的不同安全策略需要不同的系统架构和功能模块，本论文对应用各类安全策略的SRAM结构及其中的低功耗掉电检测、低损耗电源选择、清零阵列和改写阵列等安全电路的结构进行了研究与设计。
　　 提出了一种能实现片上能量获取、存储、转换的全集成电源系统，为掉电后的SRAM提供进行安全操作所需的能量。该系统采用电容存储电荷的方式积蓄能量，避免了电感储能方式带来的电磁干扰，减小了存储元件的寄生电阻。利用电荷泵升压电路提高存储电容的电压，有效的增加了存储能量；同时，掉电后的电荷泵升压电路反向截至能防止能量从存储电容泻放回到地。此外，该系统还集成了适用于片上电源系统的线性调整器，研究了准掉电模式下线性调整器的电特性，实现了将存储电容的能量高效的转换给安全电路。最后，基于Huahong-NEC（HHNEC）0.25 μm CMOS工艺，结合不同策略下的SRAM架构，给出了片上电源系统参数设计的最优化方法。
　　 为了避免攻击者将安全电路拆卸掉，研究了低压、高效率、全集成电荷泵升压电路的关键技术。建立了电荷泵电路的效率与时钟控制信号的交叠量模型，提出了能获得最高效率的最优时钟控制策略。对于四相位Dickson电荷泵而言，最优的时钟交叠量范围是设计成时钟控制信号周期的3%到6%，这样能实现至多8%的效率提高。最后，基于廉价的P衬N阱CMOS工艺，综合四相位Dickson电荷泵和Doubler电荷泵的优点，采用复合开关管技术，提出了一种新颖的、高效率全PMOS电荷泵升压电路。
　　 在论文的最后，基于HHNEC 0.25 μm 1P5M CMOS工艺，实现了两款应用不同安全策略的SRAM芯片，并结合对数据残留进行低温冷冻物理攻击的原理进行验证。验证结果显示：采用两套安全策略的SRAM均能实现对残留数据的清除和改写，具有预防利用数据残留进行物理攻击的能力。和传统的SRAM相比，工作功耗增加了4%和5%，而读写操作和传统SRAM是一样的。