掩膜成本升高和日漸增加的最小批量要求是當前半導體業(yè)界的兩種趨勢，使FPGA比與其競爭的ASIC具有更高成本效益。這兩種趨勢還使得FPGA的市場份額，及以FPGA實現(xiàn)的設計的價值不斷增加。隨著FPGA設計價值的增加，對于FPGA的設計安全性的需求也在增加。使FPGA的設計安全性至少應達到ASIC技術的水平。

設計安全性相關問題

有兩類獨特的設計安全性需求：

1.知識產(chǎn)權（IP）的安全：設計人員需要保護FPGA或ASIC平臺的設計或IP，以防止被復制或反工求程。

2.數(shù)據(jù)安全：設計人員需要防止經(jīng)由FPGA或ASIC平臺出入的數(shù)據(jù)被拷貝、毀壞或干擾。

IP安全性是IP開發(fā)商最關注的問題。它也是市場份額和利潤受仿制品及假冒偽劣產(chǎn)品損害的中等及大批量消費電子產(chǎn)品制造商最關心的事宜。

數(shù)據(jù)安全性是密碼和金融領域最重要的關注點。此類應用領域的用戶包括軍事（核武器系統(tǒng)或通信系統(tǒng)）、金融機構（銀行自動出納員）、消費電子制造商（收費電視和機頂盒）和對侵犯版權敏感的企業(yè)（游戲制造商）。本文將著重討論IP安全性。

保護設計免受攻擊

安全級別可劃分為三個不同級別 ：

第一級：這類器件可由具有一定知識的人，利用低成本、易于獲得的工具反求，因而是不安全的。這種人通常對最終用戶產(chǎn)品，如電話卡、借計卡和機頂盒感興趣。

第二級：這類器件具有中等安全性，可由具有豐富知識的個人，通常是內(nèi)行利用昂貴的實驗設備反求。實現(xiàn)這種級別反求工程的個人通常與某個商業(yè)公司相關聯(lián)，如游戲復制人員。

第三級：這類器件具有高度的安全性，對于這類器件的反求工程只能由政府支持的實驗室，利用無窮的資源來實現(xiàn)，如NSA。

ASIC可承受第二級攻擊

ASIC 技術（標準單元，或較差的門陣列）具有二級安全性。這種技術已為如軍事、金融等領域所有安全方案采納。對于要求避免第三級攻擊的應用領域就需要增加環(huán)氧材料包覆和爆破器材等設備。

SRAM FPGA易受第一級攻擊

隨著FPGA實現(xiàn)設計的價值提高，占支配地位的SRAM FPGA技術的安全局限性也開始逐漸限制該技術市場前景。基于SRAM的FPGA 技術安全的局限性已為人們熟知，利用非揮發(fā)性引導PROM或微處理器將位流源復制到SRAM FPGA，這類設備便可很容易地復制出來。

一些SRAM FPGA 制造商已意識到這種局限性，從而在其最新一代的器件中整合了防止復制攻擊的裝置，這種裝置采用了具有片上密鑰的片內(nèi)位流解碼引擎，而密鑰由電路板制造商寫入電池供電的電路板片載存儲器（圖1）。因而可對載入引導PROM中的位流進行加密，這種位流在沒有片上密鑰的情況下對于復制是無用的。盡管這種防護裝置很有效，但需要花費相當?shù)某杀尽?/p>

非揮性Flash和反熔絲FPGA比ASIC更安全

與不安全、易于復制的SRAM FPGA相比，有兩種非揮發(fā)性FPGA 技術甚至比相應的ASIC 技術更安全：基于反熔絲的FPGA和基于Flash的FPGA。這兩種技術的安全性源于：

非揮性使器件能在發(fā)送至最終用戶前進行設置。與SRAM 技術不同，這種器件不存在可攔截的位流。

確定可編程部件中可編程元件的狀態(tài)（開或關）具有相當?shù)碾y度。與ASIC器件易于可見的通孔不同，確定一個可編程反熔絲或Flash開關元件的開關狀態(tài)極其困難。

開關元件為數(shù)眾多（在最大型的器件中有數(shù)百萬個）。如果說某個開關的狀態(tài)難以確定，那么要確定數(shù)百萬個開關的狀態(tài)就是幾乎不可能的了。

反熔絲FPGA的直接物理攻擊

確定某個反熔絲的狀態(tài)是極其困難的。基于反熔絲的FPGA利用一小片面積小于1 m正方形的電介質作為兩個金屬線路之間的開路開關 。在需要連接兩個金屬線路時，利用可編程脈沖來使該電介質短路。這種短路的直徑小于100納米。從頂部是看不到這些短路介質的。因此，要對其進行物理驗證必須對這些器件進行反處理或截取橫斷面。這種方法遠非一種精確的方法，需要經(jīng)歷多次試驗和錯誤，并且通常需要截取多個橫斷面才能找到一個用于短接電介質線路。

基于Flash 的 FPGA的直接物理攻擊

與反熔絲FPGA類似，基于Flash的FPGA也利用開關來連接或斷開交叉的金屬線路?？衫靡粋€浮動柵充電或放電來設定連接兩個金屬線路之間開關的狀態(tài)。由于可編程器件或開關器件未發(fā)生任何物理變化，因此通過材料分析探測不到任何結果。發(fā)生變化的只有浮動柵的電子數(shù)。因為基于Flash的開關在編程時沒有任何可見的變化，因而基于Flash的FPGA 比反熔絲FPGA更難以反求。

其它攻擊方法

●IBM 公司開發(fā)出一種極其先進的技術用于實際觀測金屬線路的邏輯狀態(tài)。這項技術是通過在其電壓要被觀察的物品上放置一塊鈮酸鋰晶體來實現(xiàn)的。這種物質的折射率會隨著施加在其上的電場變化而變化，其下金屬的電位可利用低掠入射晶體的紫外激光束讀取。利用這項技術可讀取頻率高達25MHz的5.0V 信號。

●Sandia實驗室開發(fā)的另一項技術（最近剛解密）則利用了一種對硅片透明的紅外激光。可由背側照射激光誘導產(chǎn)生受邏輯狀態(tài)影響的光電流，從而確定特定晶體管的邏輯狀態(tài)。

最后需提及的是，反熔絲和Flash FPGA器件的結構設計都可防止利用編程器或其它電子方法對可編程器件的攻擊。這兩種器件均包含了被設置后能鎖定編程和回讀功能的電路。在設計時就考慮了鎖定電路，使其難以通過電子或直接物理攻擊的方法來破解。在反熔絲FPGA中，由于熔絲通常被設定為具有單路功能，因而就算不使用鎖定裝置其結構也不允許進行電子回讀。

獨特的商業(yè)模式

在最近十年里，半導體業(yè)發(fā)生了劇烈的變化，一些橫向集成的公司變遷為許多利用硅片加工廠服務的不實際生產(chǎn)的半導體公司。預計下一步巨變將是數(shù)百家為系統(tǒng)級結構和集成商提供服務的設計服務和知識產(chǎn)權公司的持續(xù)縱向分裂。這一預測尚未實現(xiàn)，設計服務和知識產(chǎn)權供應商們?nèi)匀辉跒楂@得其價值鏈上的份額而奮斗。

安全非揮發(fā)性FPGA為克服這種奮斗的兩大障礙提供了解決辦法。第一個障礙是安全性的問題。

第二個障礙在于設計服務公司沒有方便可信的途徑來為其提供的服務收取特許權費用。所有的盈利只能通過收取預付許可費獲得，同樣，這筆收入也只能由最大的合同來保障。通過采用安全非揮發(fā)性 FPGA 技術，設計服務公司就可以變?yōu)橐粋€實際上的ASIC 公司，銷售明碼標價的預編程FPGA或收取高于未編程FPGA成本的版權費。如果FPGA銷售商備有編程文件，最終客戶就可從FPGA銷售商處購買預編程單元，而由FPGA銷售商負責明價收取最終客戶費用，并按標價轉交給設計服務供應商。這種流程消除了設計服務公司的運作成本，并使其能按單個單元收費，而不是預收整個合同的費用。

結論

相對于與FPGA競爭的技術而言，F(xiàn)PGA的復雜度、功能和市場份額正在逐漸增加，對于以FPGA實現(xiàn)的器件的安全性的要求也在增加。由于SRAM FPGA對于一級復制攻擊是透明的，因而其安全性不足。而非揮發(fā)性反熔絲或Flash FPGA甚至比其替代的ASIC的安全性更高，因而可滿足日益增長的市場的需求。此外，由這些技術帶來的可編程性和安全性可用來滿足半導體工業(yè)的潛在要求，即設計服務和知識產(chǎn)權公司要求其在價值鏈中份額的需求，利用該技術它們可以在整個設計周期內(nèi)征收版稅，而不是在預付許可使用金時收取所有的費用。

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