面向硬件安全的逻辑电路混淆技术研究

摘要

近十年来，随着半导体工艺的高速发展以及集成电路（IC）设计越来越复杂，半导体行业的商业模式发生了很大的改变。首先，而许多设计者无法负担起昂贵的成本来建造自己的工厂，因此IC的设计与制造逐渐分离。此外IC设计的难度也越来越大，而可重用的IP（Intelligence Property）核技术能有效地缓解当前IC设计所面临的压力。
　　然而随着IC设计与制造中参与者的增多，使其遭受了多种形式的安全问题困扰，如IP盗用、IC盗版、IC过度制造、逆向工程等。近年来研究者提出了逻辑混淆技术来对IP/IC进行保护。其主要思路是通过向 IP/IC设计中插入额外的逻辑元件对原始设计进行混淆，使得当IP被出售或IC被生产出来后无法立即正常运行。只有当对这些额外插入的逻辑元件提供正确的输入时，IP/IC才能实现原有的功能。逻辑混淆技术使得IP/IC设计者能够实现对IP/IC的主动控制权，保护IP/IC远离上述硬件安全问题。围绕逻辑混淆这一研究热点，本文的主要工作如下：
　　（1）提出了一种新颖的基于双门的组合逻辑混淆技术，能解决当前组合逻辑混淆结构中存在高开销等问题。该混淆技术基于双门和多路选择器，使用安全密钥控制混淆单元功能。该混淆技术能够有效的对电路门级网表进行混淆，即使攻击者完全逆向工程芯片提取出门级网表，仍然不能推断原始电路的功能。理论分析证明攻击者逆向工程后破解难度为指数级O(2n)。设计实现了基于正则表达式的门级网表自动混淆程序。通过在ISCAS基准电路上的实验表明，本文提出的组合逻辑混淆技术能实现对门级网表的混淆，在避开原始设计的关键路径后，对原始设计的时延影响极小，且实现该混淆技术所需的面积与功耗开销较低。
　　（2）通过对当前混淆技术中密钥机制的研究，结合基于静态随机访问存储器的物理不可克隆功能（SRAM PUF）的物理特性，提出了一种基于SRAM PUF的逻辑混淆密钥机制。该方案利用SRAM PUF的特性，及其在硬件安全中的优势，能够有效的保障混淆密钥的安全性，并且避免了当前混淆技术密钥机制中存在密钥泄露隐患、实现过程复杂、需要额外非易失性存储从而提高IC成本等缺陷，IC设计者能实现对IC的主动控制，抵抗IC盗版、IC过度生产等硬件安全问题。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文的组织结构

第2章 逻辑混淆及IC逆向工程相关研究综述

2.1 时序逻辑混淆技术

2.2 组合逻辑混淆技术

2.4 IC逆向工程

2.5 IC伪装技术

2.6 小结

第3章 基于双门的组合逻辑混淆技术

3.1 前言

3.2 基于双门的组合逻辑混淆技术

3.4 门级网表实现混淆

3.5 实验结果和分析

3.5 小结

第4章 一种基于物理不可克隆功能的混淆密钥机制

4.1 物理不可克隆功能

4.2 当前逻辑混淆技术中的密钥机制

4.3 基于硅PUF的混淆密钥机制

4.4 小结

结论

参考文献

致谢