一种基于电磁频谱水印的IP核保护方法

摘要

本发明公开了一种基于电磁频谱水印的IP核保护方法，首先，获得待保护的IP电路的电磁辐射信息，并利用傅里叶变换将时域信息转换到频域信息，得出信号的频谱分量及其对应的能量；然后，通过分析确定植入水印电路的运行频率，对IP电路植入由奇数个反相器级联构成的环形振荡器作为水印电路，获得植入有环形振荡器的IP电路在运行过程中释放出的电磁辐射信息形成“电磁水印”，傅里叶变换后获得的参考频谱作为该IP电路的指纹信息。利用本发明方法能够有效地对自主设计IP核进行保护，同时能够将对原始IP核的影响降低到最小，在IP核被非法使用时，能够为IP版权的鉴定提供依据。

说明书

技术领域

本发明提出一种IP核保护方法，通过检测预先嵌入到IP核中的水印电路释放的特定电磁信息，可以进行IP核的识别和IP知识产权保护。

背景技术

随着集成电路的规模越来越大，芯片的集成度越来越高，系统芯片集成(SOC)逐渐成为集成电路设计的主流发展趋势，其应用也越来越广泛。但是对于大型电路来说，无论是从设计费用、设计周期还是可靠性来说，传统的方法都已不能满足需求，而知识产权(IP)复用技术的出现有效地解决了这些问题，设计好的IP可以被直接使用^[1]。IP的出现，大大提高了大规模IC设计的效率，极大地促进了集成电路设计业的发展，成为集成电路产业中增长最快的部分，但是伴随着IP的推广和使用，也出现了一系列亟须解决的问题：在IP交付用户使用时，很容易被非法使用和篡改，引起一系列纠纷。因此，如何有效地对IP进行保护，成为了亟待解决的问题。

我国的集成电路设计业，特别是SOC产业的发展离不开IP产业的支撑。在IP核交易中，如果对IP核的保护不够，将会使我国的利益遭受重大损失。考虑到国家经济利益，不仅要开发具有自主知识产权并且性能优良的IP核，更加重要的是如何保护IP核，达到保持技术领先性和有效地阻止对我国知识产权攻击的目的^[2,3]。因此对于IP核的保护亟须解决。

目前可应用于IP核的保护技术主要有两种^[4]：一、加密保护技术,即在IP核中采用加密保护技术后，只有通过特定平台或在特定条件下才能使用IP核的功能。采用这种方法不能测试IP集成在芯片中的功耗等信息以及与芯片中其它模块的兼容性，对IP核的使用受到限制，具有一定局限性。二、数字水印技术，即在IP核中插入一个很难移除的数字标记。当IP核被非法使用时，数字水印可以表明版权归属。但是并不影响IP核被非法使用时的功能,是一种被动的保护技术。

[参考文献]

[1]李东晓，郑伟，张明；IP芯核水印技术研究进展[J]，电路与系统学报，2007,12(4):85-92。

[2]姚钢；探究IP保护对IC行业发展的影响程度[J]，EDN CHINA电子设计技术,2006,13(4):106-106。

[3]谢学军，邱善勤；IP在中国的现状及未来之路[J]，半导体技术，2005,30(6):1-4。

[4]邢强，骆丽；集成电路设计中IP核的保护措施[J]，中国集成电路，2006,6:022。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于电磁频谱水印的IP核保护方法，可以利用电路在运行过程中会释放出一定电磁辐射的特性，通过在自主设计的IP核中植入特定的电磁水印电路，进行IP核的版权保护。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于电磁频谱水印的IP核保护方法，包括以下步骤：

步骤1、将待保护的IP电路下载到现场可编程门阵列当中，施加特定的测试向量，让该IP电路运行；使用电磁探头收集该IP电路在运行过程中释放出的电磁辐射信息，并利用傅里叶变换将时域信息转换到频域信息，得出信号的频谱分量及其对应的能量；

步骤2、对步骤1得到的频谱找出其幅值最大的10个至20个频点按照频率从大到小依次排列，依次计算相邻两个频点的频率差值，选择其中频率差值最小的两个频点之间的频率范围作为植入水印电路的运行频率；

步骤3、对IP电路植入水印电路，所述水印电路的振荡频率等于步骤2所确定的植入水印电路的运行频率，其中，所述水印电路是由奇数个反相器级联构成的环形振荡器，每个反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管构成，所述NMOS晶体管和所述PMOS晶体管的栅极连在一起作为输入，所述NMOS晶体管和所述PMOS晶体管的漏极连在一起作为输出；

步骤4、对于植入了环形振荡器的IP电路下载到现场可编程门阵列当中，施加与步骤1中相同的特定的测试向量，使植入有环形振荡器的IP电路运行，使用电磁探头收集该植入有环形振荡器的IP电路在运行过程中释放出的电磁辐射信息，并利用傅里叶变换将时域信息转换到频域信息，所得出的信号的频谱分量及其对应的能量为参考频谱，以该参考频谱作为所述IP电路的指纹信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用本发明中提到的方法，在自主设计的IP电路当中植入基于环形震荡器的水印电路，利用其辐射的电磁信息，形成“电磁水印”，利用该方法能够有效地对自主设计IP核进行保护，同时能够将对原始IP核的影响降低到最小，在IP核被非法使用时，能够为IP版权的鉴定提供依据。

附图说明

图1是线圈电磁辐射原理图；

图2是本发明中所用反相器的结构图；

图3是本发明中环形振荡器示意图；

图4是本发明中时域信息转换到频域信息过程中的原始频谱；

图5是本发明中植入水印电路即增加频点以后的频谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是，时钟信号在集成电路中起到了至关重要的作用，对于单时钟域的电路而言，其在运行过程中向外辐射的电磁信号包含多种频率分量，其中最为显著的是与时钟频率相同的基波及其各次谐波，另外电路中其它频率的信号在电磁频谱中也会有所体现。另外随着集成电路规模的增大，以及大规模数字电路的出现，目前电路的设计中往往会出现多个时钟域，处于不同时钟域的电路在运行过程中会释放出不同频率特性的电磁辐射信息，由于电路中信号变化数目的不同，其辐射的电磁信号强度也会有差异。然而对于同一个电路，在相同时钟频率和电路输入条件下，如果噪声和工艺偏差的影响可以忽略，其相同的电路运行状态会导致相同的电磁辐射信息。基于以上原理，一个电路设计一旦完成，在固定的运行状态下，其具有固定的频谱分量和不同频谱分量对应的能量分量。因此，本发明提出的一种基于电磁频谱水印的IP核保护方法，首先对获取到的电路运行时的电磁信息进行快速傅里叶变换(FFT)，得出数据的频谱分量以及对应的能量分量，并进行对比分析，通过分析可以得到电路在特定运行状态下的电磁频谱轨迹信息，可以作为特征信息对电路进行识别。包括以下步骤：

步骤1、将待保护的IP电路下载到现场可编程门阵列当中，施加特定的测试向量，让该IP电路运行；使用电磁探头收集该IP电路在运行过程中释放出的电磁辐射信息，并利用傅里叶变换将时域信息转换到频域信息，得出信号的频谱分量及其对应的能量，如图4所示。

步骤2、对步骤1得到的频谱找出其幅值最大的10个至20个频点按照频率从大到小依次排列，依次计算相邻两个频点的频率差值，选择其中频率差值最小的两个频点之间的频率范围作为植入水印电路的运行频率，如图5所示。

步骤3、对IP电路植入水印电路，所述水印电路的振荡频率等于步骤2所确定的植入水印电路的运行频率，其中，所述水印电路是由奇数个反相器级联构成的环形振荡器，每个反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管构成，所述NMOS晶体管和所述PMOS晶体管的栅极连在一起作为输入，所述NMOS晶体管和所述PMOS晶体管的漏极连在一起作为输出；

步骤4、对于植入了环形振荡器的IP电路下载到现场可编程门阵列当中，施加与步骤1中相同的特定的测试向量，使植入有环形振荡器的IP电路运行，使用电磁探头收集该植入有环形振荡器的IP电路在运行过程中释放出的电磁辐射信息，并利用傅里叶变换将时域信息转换到频域信息，所得出的信号的频谱分量及其对应的能量为参考频谱，以该参考频谱作为所述IP电路的指纹信息，从而可以为IP版权的鉴定提供依据。

本发明设计过程中，对以下问题进行了研究：

1、集成电路电磁辐射原理分析

取集成电路芯片内部非常小的一段电流元，表示为(I是电流的幅值，表示电流的流动方向),根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)，其在空间任意点处所激发的磁场可以表示为其中为测量点到电流元的位置矢量，r为位置矢量的数值大小，μ₀为真空磁导率，电流元在空间某点处产生的磁感应强度的大小与电流元的大小成正比，与电流元所在处到该点的位置矢量和电流元之间的夹角的正弦成正比，而与电流元到该点的距离的平方成反比。

当不考虑位置的改变，并且认为电流元的大小足够小，以至于在这一小段距离内I为一个常数时，可以近似认为为电流元矢量，即磁感应强度的大小直接与电流的大小成正比。当用近场磁场探头采集这一信号时，由于磁感应强度的变化导致了通过线圈的磁通量的变化，根据感生电动势的计算公式(为线圈探测的区域)，导致了线圈中电动势的变化，这一变化经放大后被示波器采集到，就是我们测量的电磁信号。

若芯片中某一电流成分辐射的磁感应强度为当探头与芯片的相对位置关系固定后，若取非常小的一片面积元，可以认为在该面积元内，磁感应强度为一个常数，因此感应电动势近似与磁感应强度成正比，进而与该电流成分成正比，其宏观表现为采集到的电磁信号的波形近似与导致其变化的电流成分的波形一致。考虑到实际的集成电路芯片，随着芯片电路运行状态的变化，芯片内不同的电流成分也会发生变化，因此探头采集到的电磁信号是对它们的一个矢量“叠加”，进而可以反映出芯片内部的变化情况。如图1所示。

2、基于反相器环形相连的环形振荡器结构

本发明中，使用由多个基本反相器单元进行环形相连的方式，来构成环形振荡器。单个反相器结构如图2所示。

每个反相器由一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管构成，两个晶体管的栅极连在一起作为输入，漏极连在一起作为输出。当输入是高电平时，NMOS管导通而PMOS管截止，输出被拉到地；当输入是低电平时，PMOS管导通而NMOS管截止，输出被拉到高电平，因而可以实现对输入反相的功能。

通过将反相器首尾相连可以构成环形振荡器。如果有奇数个反相器级联，那么最后一级的反相器输出与第一级的反相器输入正好极性相反，这样连接起来可以产生振荡。如果有偶数个反相器级联，那么最后一级的反相器输出与第一级的反相器输入极性相同，电路稳定不会产生振荡。因此本发明中需要采用奇数个反相器级联构成环形振荡器。

3、环形振荡器用于产生特定频率电磁辐射的原理

本发明中，在已经设计好的电路当中植入具有特定翻转率的环形振荡器，用于产生特定频率和强度的电磁辐射，用来形成原始电路的指纹信息。环形振荡器由奇数个反相器相连形成，其振荡频率主要取决于单个反相器的延时。如图3所示。设每级延时电路的延迟时间为t_d，电路由N级构成，故其总的延时时间为N*t_d。由于反相的次数为180度的奇数倍，故要完成一个周期的振荡的时间为2*N*t_d。由于周期与频率互为倒数关系，所以环形振荡器的频率可以表示为其中反相器的传播延时t_d由从低到高的翻转延时t_pLH，和从高到低的翻转延时t_pHL所决定，如公式所示。根据前述集成电路的电磁辐射原理，该环形振荡器会导致频率分量为的电磁辐射，其辐射的强度与环形振荡器的级联数目有关。本发明通过使用上述已知频率与幅值的电磁辐射信息作为水印，实现对IP的知识产权保护。本发明选择环形振荡器的优点在于其结构简单，仅需要反相器级联即可构成，电路面积小功耗低，对于原始电路引入的影响很小，同时可以在集成在大规模集成电路设计流程中，使用后端布局布线工具进行自动植入。

4、集成电路频谱分析原理

对于电磁信号，通常的做法是将时域测得的信号转换到频域后再进行分析，因此我们首先采用傅里叶变换将时域信号变换到频域再进行分析处理。若设时域信号为S(t)，t为时间，其对应频域信号表示为S(ω)，ω为频率，则根据傅里叶变换关系有：

$S\left(\omega \right)=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}s\left(t\right)e^{-j\omega t}dt$

傅里叶变换具有线性性质，是指两函数的线性组合的傅里叶变换，等于这两个函数分别做傅里叶变换后再进行线性组合的结果。

对于待测电路而言，在频域内，探头接收到的信号包括：主时钟信号，记其频率为g₁；由于电路运行产生的具有一定周期性的信号，记其周期所对应的频率为f₁,f₂,f₃…f_f；测试及环境噪声，其频率分布在一定范围内，记其所对应的频率为N₁,N₂,N₃…N_n；以及芯片中除以上信号之外的其他信号，记为O₁,O₂,O₃…O_o。由矢量叠加原理，若空间存在N个电流成分且向空间辐射电磁信号，记辐射信号幅值为A_i(i＝1,2,3…N)，则在空间任一点处的合成信号为其矢量叠加。

根据上述性质，对于原始电路而言，对由探头接收到的电磁信息进行傅里叶变换之后可以表示为：

$F_1=\underset{i=1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{jf}}_i\right)+A_{2}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}S\left({\mathrm{jO}}_i\right)$

其中A_1i，A₂，A_3i，A_4i为相应频率分量的幅值大小。

假定电路中被植入了信号翻转频率为T₁的水印电路，同样测试条件下，对由探头接收到的电磁信息进行傅里叶变换之后可以表示为：

$F_2=\underset{i=1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{jf}}_i\right)+A_{2}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}S\left({\mathrm{jO}}_i\right)+A_{5}S\left({\mathrm{jT}}_1\right)$

其中A_1i，A₂，B_3i，A_4i，A₅为相应频率分量的幅值大小。

通过在采集电磁信号时进行多次测量取平均，并且通过算法去除噪声，可以减弱噪声对测试的影响，近似认为与之间的差异可以忽略，进而在认为原始电路运行状态一定的前提下，将上面两个公式中相同的部分表示为M，则对于原始电路F₁＝M，对于植入了水印电路的电路F₂＝M+A₅S(jT₁)，因此可以通过检测芯片电磁频谱中频点的分布来判断原始电路的产权。

为不失一般性，如果假定植入的水印电路其信号翻转频率为T₂，且与原始电路的某一频点重合，假定其与时钟频率重合(即T₂＝g₁)，其辐射信号幅值为A₅，探头接收到的电磁信息进行傅里叶变换之后可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_2=\underset{i=1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{jf}}_i\right)+A_{2}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}S\left({\mathrm{jO}}_i\right)+A_{5}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)\\ =\underset{i=1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{jf}}_i\right)+(A_2+A_5)S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}S\left({\mathrm{jO}}_i\right)\end{array}\right)$

通过与原始电路的公式对比后发现，可以通过对比频点g₁所对应的幅值大小来判断是否被植入了水印电路。

如果T₂不与时钟频率重合(T₂≠g₁)，认为由于水印电路的存在，引入了与已存在的其他周期信号频率分量重合的信号，记其频率为其辐射信号幅值为A₅，探头接收到的电磁信息进行傅里叶变换之后可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_2=\underset{i=1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{jf}}_i\right)+A_{2}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}S\left({\mathrm{jO}}_i\right)+A_{5}S\left({\mathrm{jf}}_m\right)\\ =\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{if}}_i\right)+(A_5+A_{1m})S\left({\mathrm{jf}}_m\right)+\underset{i=m+1}{\overset{f}{\Sigma }}{A}_{1i}S\left({\mathrm{if}}_i\right)+A_{2}S\left({\mathrm{jg}}_1\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_{3i}S\left({\mathrm{jN}}_i\right)+\underset{i=1}{\overset{o}{\Sigma }}{A}_{4i}\left({\mathrm{jO}}_i\right)\end{array}\right)$

由以上公式的分析，可以通过对比频点f_m处对应的幅值大小来判断是否被植入了水印电路。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。