反熔絲FPGA在密碼芯片設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

【摘　要】詳細(xì)介紹了反熔絲FPGA在提高密碼芯片速度和對(duì)密碼算法進(jìn)行保護(hù)方面的應(yīng)用,并給出了密碼算法芯片中部分模塊的實(shí)現(xiàn)方法。
【關(guān)鍵詞】密碼算法　　反熔絲FPGA　　密碼芯片

1　引言

        隨著計(jì)算機(jī)和通信的發(fā)展,信息傳輸過程中信息安全的重要性越來越受到人們的重視。在信息傳輸過程中,人們普遍采用將待傳輸?shù)男畔⒓用苓M(jìn)行傳輸,然后在收端進(jìn)行解密還原信息。對(duì)信息的加解密通常采用兩種方法:軟件加解密和硬件加解密。軟件加解密實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但須對(duì)密碼算法進(jìn)行多重保護(hù)存放且加解密速度較慢,而硬件加解密可加快加解密運(yùn)行速度。在當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下,對(duì)加密的速度要求將越來越高,如:在ATM、幀中繼、ISDN PRI等領(lǐng)域的加密, 將會(huì)有數(shù)兆或數(shù)十兆以上的速度要求,所以硬件加密將是今后首選的加密手段。目前運(yùn)用的硬件加解密,大都采用SRAM型的FPGA實(shí)現(xiàn),必須外掛一EEPROM存儲(chǔ)加載FPGA 的數(shù)據(jù),這就為信息安全帶來了巨大隱患,特別是在運(yùn)用于軍事、政府等部門的保密通信產(chǎn)品中。要求重要信息不得以明文的形式出現(xiàn)。另外,SRAM型FPGA速度較慢,延遲時(shí)間不定,也大大限制了它們?cè)谝恍┨厥鈭?chǎng)合下的運(yùn)用。

2　反熔絲FPGA的結(jié)構(gòu)和原理
        曾經(jīng),人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)芯片中的內(nèi)容不能讀出而采取定制或半定制的辦法,但這種方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、不適合小批量生產(chǎn)。反熔絲FPGA的出現(xiàn)解決了人們的苦惱,大大方便了這種特殊應(yīng)用的需要。目前,生產(chǎn)反熔絲FPGA芯片的廠家有QUICKLOGIC、ACTEL等幾家。其中,QUICKLOGIC公司的反熔絲FPGA在我國(guó)開始大規(guī)模應(yīng)用。

       QUICKLOGIC　公司的ViaLink反熔絲(Antifuse)結(jié)構(gòu)是由四層金屬層和中間的覆蓋硅的鎢通道組成。覆蓋硅的鎢通道具有高電阻和高電容特性,起到金屬層之間絕緣層的作用,其電阻大于1千兆歐姆。但當(dāng)編程電壓作用于被選擇的覆蓋硅的鎢通道時(shí),硅將轉(zhuǎn)變成低電阻連接,其電阻小于50Ω。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不同于SRAM型的FPGA,它沒有配置存儲(chǔ)器,因此
編程內(nèi)容是不可能被讀出的,正是該種特性使得該系列芯片在保密通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　反熔絲FPGA對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)可提供實(shí)現(xiàn)較好的性能, 這是由于其可編程鏈路的電阻較小(反熔絲接點(diǎn)電阻50Ω左右),具有較好的布線靈活性,不會(huì)妨礙信號(hào)傳送,并以最直接
的通路進(jìn)行,因而可大大提高芯片速度。眾所周知,隨著工藝的改進(jìn),SRAM型FPGA其觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)速度已經(jīng)做得很高,而芯片的速度仍然受限,其原因是信號(hào)在芯片內(nèi)傳輸過程中所
耗時(shí)間占整個(gè)時(shí)延的60%左右,這就限制了整個(gè)芯片的速度。

        目前,雖然反熔絲FPGA單片密度較SRAM FPGA的單片密度低,但對(duì)于大多數(shù)反熔絲FPGA在如下方面仍占領(lǐng)先的地位:布線結(jié)構(gòu)的靈活性,使軟件工具能夠較容易的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的布局、布線,且修改設(shè)計(jì)時(shí),即使重新布線也可保持原配置的輸出管腳不變。同時(shí),在反熔絲FPGA之中的設(shè)計(jì)修改通常能保證在時(shí)延上變化很少,這是因?yàn)椴季€改變時(shí)所需的附加的可編程鏈路的時(shí)延增加不多。另外,反熔絲FPGA還具有功耗低、抗輻射能力強(qiáng),耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)。

        因此,反熔絲FPGA的特性使得其在保密通信產(chǎn)品中具有特殊的應(yīng)用。充分利用反熔絲FPGA的特性,可提高密碼算法芯片的加解密速度,同時(shí)利用反熔絲FPGA的編程內(nèi)容不能讀出,保護(hù)密碼模塊中的主算法,避免了其他的物理保護(hù),從而提高了系統(tǒng)的安全性。