一种基于改写策略的安全SRAM芯片的研究与设计

摘要

随着信息社会的来临，信息安全问题逐步成为了国家、企业、个人等信息拥有者的最关注的话题之一，其重要性不言而喻。作为信息载体的集成电路芯片本身也面临着越来越多的安全问题，以往认为的集成电路先天的保密性已经不复存在。作为常保存敏感数据的易失性存储器——SRAM 一般被认为断电后其数据无法保存，但是随着技术的进步SRAM 存在的数据安全问题不容忽视。研究与解决SRAM 自身的安全性问题已经成为安全系统、安全存储的一个重要的发展方向。
　　 为了从根本上消除SRAM 存在的安全性问题，本文首先分析了针对SRAM的各种攻击手段，找到了应对这些攻击手段的两种芯片级的解决方案；再针对方案其中之一的电源断电后在很短时间内利用芯片内部集成的电容上的能量将SRAM 芯片中的数据全部改写的思路，按照模拟芯片的“自顶向下”的设计方法进行了系统结构的设计、功能电路的划分与底层模块电路设计。依据此解决方案，本论文重点研究了一种片上自建电源结构。在此结构中，本文设计了新型的低功耗带隙基准电路、攻击检测与直流双电源切换电路等功能电路并详细的叙述了设计过程，并给出了相应的仿真结果和分析。此外，本文还在不破坏原有SRAM 功能电路基本结构的基础上，将断电改写电路“嵌入”其中，并针对测试设计了相应的功能检测电路来检测改写电路功能实现情况。
　　 本论文在此电路设计基础上，采用0.25 μm CMOS制造工艺完成了此安全SRAM 芯片的前端仿真验证与版图设计。对此安全SRAM 芯片的前端仿真结果显示，芯片在外部电源断电的100ns内，能利用自建电源内存储的能量完成对所有存储单元的改写操作；另外，低功耗带隙基准与直流双电源切换的优化设计有效地提高了芯片在待机时的效率，达到了既定的设计要求。