有效防止FPGA設(shè)計被克隆的技術(shù)

據(jù)估計，目前盛行的假冒電子產(chǎn)品已經(jīng)占到整個市場份額的10%，這一數(shù)據(jù)得到了美國反灰色市場和反假冒聯(lián)盟(AGMA)的支持。AGMA是由惠普、思科和其它頂級電子OEM公司組成的一個行業(yè)組織。據(jù)該組織估計，制造商因盜版造成的損失超過1000億美元，而對最終用戶來說，信譽(yù)損毀和可靠性問題帶來的隱性成本則更難以確定。

可編程邏輯的流行和ASIC的衰退帶來的負(fù)面影響是拷貝設(shè)計越來越容易。對ASIC做反向工程是一件困難、昂貴且費(fèi)時的工作，而拷貝最流行的FPGA配置比特流則相對簡單。如圖1所示。

圖1：偷竊一個FPGA設(shè)計并不復(fù)雜。

因此，許多公司也許會發(fā)現(xiàn)他們的知識產(chǎn)權(quán)(IP)第二天就出現(xiàn)在競爭對手的產(chǎn)品中。剽竊者無需花費(fèi)研發(fā)成本，因而能夠以比合法供應(yīng)商低得多的價格出售產(chǎn)品，從而竊取更多的市場份額。

關(guān)鍵問題是如何才能阻止這種偷竊行為并證明設(shè)計所有權(quán)。Algotronix公司推出的DesignTag產(chǎn)品試圖解決上述問題。DesignTag代碼可隱藏在FPGA比特流中，因此很難被定位和去除，即使剽竊者知道FPGA比特流中包含的DesignTag代碼。

一旦這個代碼被復(fù)制進(jìn)盜版比特流中，它就像信標(biāo)一樣不斷提示：該設(shè)計是盜版的。這在概念上非常類似于使用UV筆標(biāo)記郵政編碼或郵遞區(qū)號，盡管它不能阻止盜版，但日后被使用時則能明確所有權(quán)。

在XC3S2000 FPGA中DesignTag代碼只占用價值0.57美分的硅片(使用100片以上的目錄價)，占用芯片上1.3%的邏輯資源。與非法拷貝造成的潛在損失相比，這點(diǎn)開銷微不足道。

更隱匿的問題來自所謂的“過制造(over-building)”。造成這個問題的背景是，過去10多年中許多公司撤消生產(chǎn)部門，專注于設(shè)計產(chǎn)品，并將產(chǎn)品交給合同廠商(CEM)制造。這種方式將CEM置于中心和關(guān)鍵位置。當(dāng)然，絕大多數(shù)CEM是負(fù)責(zé)任的，提供有價值的服務(wù)。但也有少數(shù)不道德的CEM會生產(chǎn)超出合同數(shù)量的產(chǎn)品并出售給灰色市場，以便從中贏取超額利潤。這時DesignTag就能派上用場，用來識別設(shè)計的來源和所有者。

DesignTag的另一個應(yīng)用是提供串行序列號或版本識別。例如，醫(yī)療、汽車、工業(yè)、軍事或航空領(lǐng)域的制造商可能希望在設(shè)備上打上最終用戶代碼的標(biāo)記，或跟蹤FPGA配置版本。在更新頻繁的應(yīng)用場合，版本控制尤其重要。無需進(jìn)行電氣連接就能在運(yùn)作中的系統(tǒng)中檢測出DesignTag，這對球柵陣列封裝來說好處更大，因?yàn)榻佑|這種封裝的頂部要比電氣連接方便得多，而且無需借助于可能影響正常工作的軟件或硬件中斷就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。

另外一個潛在的好處是讓嵌入式系統(tǒng)與DesignTag交互，以便標(biāo)記出故障或狀態(tài)條件。在這類應(yīng)用場合，DesignTag經(jīng)過編程可以輸出一個指示內(nèi)部狀態(tài)的不同代碼。

DesignTag工作原理

DesignTag是一個小型低成本IP內(nèi)核，可以內(nèi)置在FPGA中作為設(shè)計的一部分。它是一種帶唯一代碼(“簽名”)的數(shù)字內(nèi)核，可以從外部識別，而無需讀取FPGA比特流或內(nèi)部寄存器。

它的工作原理是以一種預(yù)先定義好的方式調(diào)制主器件的功耗。微小的熱脈沖能以很低的衰耗透過芯片封裝傳播。功率“浪涌”電平被選中以提供只有約0.1℃的封裝溫升。額外增加的典型功耗值是5mW，而中等規(guī)模的Spartan FPGA的正常功耗通常大于150mW，這意味著這個標(biāo)記信號遠(yuǎn)低于噪聲電平。

DesignTag默認(rèn)情況下在工作15分鐘后關(guān)閉(用戶可修改這個時間)，這樣做有兩個作用。首先，它消除了少量增加的功耗。其次，它使剽竊者的檢測更加困難。DesignTag也可以被FPGA中發(fā)生的內(nèi)部事件觸發(fā)，這種事件可以是發(fā)送ID代碼或指示內(nèi)部狀態(tài)，或是故障條件的一條指令。

DesignTag數(shù)據(jù)庫

所有DesignTag的代碼數(shù)據(jù)都保存在中央數(shù)據(jù)庫中。用戶可以選擇將他們的代碼“公開”或“隱蔽”。公開列表的優(yōu)勢在于所有DesignTag閱讀軟件都可以檢測這些代碼，從而允許用戶、執(zhí)行代理或合同廠商確認(rèn)被測器件(DUT)的有效性。

相比之下，當(dāng)用戶不希望任何第三方知道他們的產(chǎn)品是否被打上了標(biāo)記時，隱蔽代碼是最好的選擇。在這種情況下，代碼由用戶分發(fā)到受信任方，只有安裝了這些代碼的閱讀軟件才能檢測出相應(yīng)的標(biāo)記。

將DesignTag集成進(jìn)FPGA

在FPGA中使用的這種IP內(nèi)核被實(shí)例化為HDL代碼，形成一個用Verilog或VHDL編寫的“黑盒”?？晒┙桓兜膬?nèi)容包括，用于驅(qū)動熱量輸出的內(nèi)置代碼以及電路要求的I/O引腳。全數(shù)字設(shè)計的尺寸很小，一般在賽靈思的Spartan 3 FPGA中只占用256個片(slice)。

基于安全性考慮，這種內(nèi)核只提供加密過的EDIF網(wǎng)表。該IP采用了多種技術(shù)來阻止“反向工程”，并且能夠?qū)⒆约弘[蔽起來防止受到篡改或檢測。DesignTag內(nèi)核很大程度上獨(dú)立于用戶設(shè)計，因此對設(shè)計流程的影響很小。

圖2：DesignTag提供了“偷竊證據(jù)”。

DesignTag采用2~250MHz范圍之內(nèi)的一個輸入時鐘來驅(qū)動工作時序。這個時鐘應(yīng)來源于系統(tǒng)內(nèi)的任何有效時鐘，而不能是專門為標(biāo)記IP內(nèi)核產(chǎn)生的時鐘。最主要的原因是最低成本因素，它還能通過并入系統(tǒng)來迷惑檢測或中止標(biāo)記功能的企圖。

DesignTag的控制輸入可以由嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動，或在設(shè)計階段設(shè)置為默認(rèn)值。例如，標(biāo)記內(nèi)核可以根據(jù)需要設(shè)置為連續(xù)發(fā)送；也可以在上電后的一段規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送，然后進(jìn)入待機(jī)模式。還有另外一個選項(xiàng)，即發(fā)送序列可以在任何時間由一個觸發(fā)脈沖(Trigger)輸入端來啟動。

標(biāo)記內(nèi)核可以許可最多4個不同的內(nèi)置代碼，這可以通過代碼選擇 (Code Select) 輸入端進(jìn)行選擇。嵌入式系統(tǒng)可以對這個內(nèi)核進(jìn)行編程，讓它根據(jù)要求發(fā)送其中一個代碼來指示內(nèi)部狀態(tài)條件。例如，指示內(nèi)存發(fā)生溢出或檢測到軟故障條件，整個過程不會中斷系統(tǒng)功能。

篡改輸出(Tamper output)信號可以從DesignTag送入嵌入式系統(tǒng)，這有兩個好處。第一，它能用作削弱系統(tǒng)性能的去激活信號，并通過翻轉(zhuǎn)配置比特流中的隨機(jī)比特來迷惑取消標(biāo)記功能的企圖。第二，如果攻擊者對比特流實(shí)施反向工程來重建設(shè)計，由于DesignTag塊看起來像是設(shè)計的有機(jī)組成部分，因而無法被識別。

檢測DesignTag輸出

可以在器件正常工作時，將熱電偶以良好熱接觸的方式放置在封裝頂部來檢測DesignTag代碼，如圖3所示。熱量讀取數(shù)據(jù)被輸入進(jìn)DesignTag閱讀軟件，并進(jìn)行解密。完成代碼識別的檢測時間需要數(shù)分鐘，系統(tǒng)可以檢測和區(qū)分同一器件中的多個標(biāo)記。

圖3：用熱電偶檢測熱信號。

不良條件可能增加檢測時間，但內(nèi)部算法會隨著采樣量的增加而使可靠性增加(圖4)。如果閱讀工作在靜止空氣中進(jìn)行，獲取時間則可以縮短。由于加電而導(dǎo)致DUT自身的散熱不會阻止標(biāo)記的檢測?？赡苎娱L檢測時間的因素包括：熱不穩(wěn)定狀態(tài)，探針與封裝之間接觸不良，或一個設(shè)計中有多個代碼。

圖4：信號被累積和處理，直到取得很高的把握性。

DesignTag可以支持所有流行的封裝類型。不過目前DesignTag不推薦用于散熱器或采取強(qiáng)制制冷的場合。

Algotronix公司推薦使用Pico科技公司帶熱電偶的TC-08數(shù)據(jù)記錄儀。其它設(shè)備正在評估中。TC-08已包含在DesignTag入門套件中，套件中還包含有閱讀器軟件、安裝有FPGA和5個有效DesignTag代碼的評估板(圖5)。閱讀器軟件可在運(yùn)行Windows(XP或Vista)的PC上運(yùn)行。

圖5：入門級套件包括數(shù)據(jù)記錄儀、軟件、評估板和5個唯一代碼。

分析攻擊DesignTag的企圖

任何反剽竊機(jī)制的最重要特性之一是識別、刪除或去激活身份標(biāo)記的難度。潛在偷竊者要解決的第一個問題是判斷盜版代碼中是否包含DesignTag。微小的熱信號包含有64位代碼，必須使用DSP和解密技術(shù)才能檢測出來。擴(kuò)展代碼被用來控制采用線性反饋移位寄存器(LFSR)這類電路的熱發(fā)生器。

擴(kuò)展代碼發(fā)生電路基于唯一的‘標(biāo)記ID’，就像是密鑰一樣，其中每個密鑰可導(dǎo)致不同的偽噪聲序列。DesignTag閱讀軟件可以識別公開代碼，但沒有基礎(chǔ)知識和授權(quán)，軟件是無法檢測私有代碼的，這些代碼將保持隱秘狀態(tài)。

各種形狀的標(biāo)記波形是偽隨機(jī)的。這些代碼通過重復(fù)的功率循環(huán)和關(guān)聯(lián)被觀察信號能夠挫敗那些解碼信號的企圖。

另外一種可能的攻擊方式是獲得多個DesignTag IP內(nèi)核，并在比特流或加密的網(wǎng)表級對它們進(jìn)行比較，以便觀察哪些特殊源碼被修改過，并假設(shè)這些特殊源碼對應(yīng)的就是標(biāo)記代碼比特。為了挫敗這種攻擊，標(biāo)記IP內(nèi)核的許多內(nèi)容以隨機(jī)方式加以改變，從而在任意兩個標(biāo)記實(shí)例之間形成巨大數(shù)量的差異。

攻擊者可能試圖去激活DesignTag。DesignTag是在設(shè)計捕獲階段作為黑盒實(shí)例化進(jìn)FPGA設(shè)計的，一旦融入設(shè)計，就被集成進(jìn)配置SRAM器件的比特流中。用戶可以選擇加密這些比特流，但大多數(shù)用戶不會這么做。FPGA配置比特流的大小不等，一般從中等規(guī)模的Spartan器件的2Mb到大型Virtex系列器件的10Mb都有。攻擊者可能試圖使用軟件從比特流信息中重構(gòu)網(wǎng)表。

雖然過去這種軟件已經(jīng)開發(fā)出來，并且在技術(shù)文獻(xiàn)中有過報告，但目前攻擊者似乎還無法公開得到這些工具。這種軟件的輸出通常是映射到FPGA原語后的扁平設(shè)計網(wǎng)表；雖然在比特流基礎(chǔ)上向前進(jìn)了一步，但與原始的設(shè)計源代碼相比還有很大的差距。

攻擊者還可能在比特流級嘗試和操作設(shè)計，他們會有選擇的“翻轉(zhuǎn)”某些比特，然后在關(guān)閉安全特性的情況下監(jiān)視效果。挫敗這種攻擊的關(guān)鍵是使每次‘翻轉(zhuǎn)一個比特，然后觀察發(fā)生了什么’所需的時間盡可能長，并使攻擊者很難判斷實(shí)際的安全特性是否完全被關(guān)閉。讀一個DesignTag代碼需要花數(shù)分鐘時間，這使得類似這種基于研究的攻擊的可行性大大降低。

與FPGA設(shè)計安全機(jī)制相比，DesignTag的優(yōu)勢還在于它不依賴于FPGA的特定資源，而攻擊者很容易利用這種依賴性確定比特流中的位置。

基于閃存或反熔絲技術(shù)的FPGA是在工廠中配置的，因此包含DesignTag的代碼不會泄漏給最終用戶。針對DesignTag的任何攻擊都將涉及物理性地篡改器件，從而導(dǎo)致FPGA損壞。

熱信號

到這里你可能想知道為何選擇非傳統(tǒng)的信號媒介。與芯片內(nèi)電路交流信號最顯而易見的方法是通過封裝引腳。然而，這種機(jī)制在這種情景下有很大的缺陷。為了有益于最終用戶，標(biāo)記機(jī)制必須獨(dú)立于安裝芯片的電路板，并獨(dú)立于任何系統(tǒng)軟件。

在某些情況下，電路板和系統(tǒng)軟件開發(fā)人員可能就是懷疑濫用IP的那一方。另外，訪問標(biāo)記不應(yīng)要求詳細(xì)地了解包含可疑芯片的系統(tǒng)。在使用BGA芯片和精細(xì)間距扁平封裝時，即使在電路板上找到合適的位置來探測信號也可能很有技巧性。因此通過封裝引腳訪問標(biāo)記信息通常要求訓(xùn)練有素的技術(shù)人員才能辦到。

通過封裝的熱通道帶寬很窄，這與DesignTag采用的信號機(jī)制非常匹配。數(shù)據(jù)傳輸速率很低，但創(chuàng)建代碼只需極少量的比特，而且熱信號方法還有一些額外的優(yōu)點(diǎn)。例如，熱信號通過封裝發(fā)送，并被與封裝頂部接觸的探針檢測到，這種方法不會影響器件的正常工作。由于無需訪問電氣連接，也不需要使用額外的封裝引腳，因此DesignTag可以被增加到現(xiàn)有產(chǎn)品中而不改變其引腳布局。

半熟練操作人員可以從器件所在位置或在測試裝置中進(jìn)行閱讀。高引腳數(shù)量的球柵陣列要求高密度的PCB走線，而引出到測試點(diǎn)的額外走線是個大問題，可能讓攻擊者想到DesignTag的存在。利用EMI、射頻或電源噪聲的標(biāo)記信號方式理論上也是可能的。低電平電氣信號機(jī)制將深受芯片正常工作、快速電源毛刺和地線反彈以及相鄰PCB走線信號耦合帶來的外部噪聲的影響。而諸如無線電波、主電源和其它EMI等外部信號源也會造成干擾。

現(xiàn)代系統(tǒng)要求多個電源，這些電源必須很好地加以屏蔽和去耦。電源平滑濾波可能負(fù)面影響到芯片輸出的回送信號，從而降低芯片性能和標(biāo)記信號質(zhì)量。雖然電氣信號的寬帶寬能夠提供快速檢測，但實(shí)驗(yàn)表明這種好處無法彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

本文小結(jié)

反IP侵權(quán)和克隆設(shè)計的成本在迅速提高。本文介紹的DesignTag技術(shù)提供了在設(shè)計中增加水印的低成本便利方法。標(biāo)記目標(biāo)設(shè)計提供了驗(yàn)證盜版或侵權(quán)行為的簡單途徑，無需求助于冗長的工程評估。只需數(shù)分鐘就能檢測出贗品，這使得DesignTag成為一種值得推廣的解決方案。