數(shù)字集成電路中芯核水印關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著深亞微米集成電路系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們對(duì)數(shù)字集成系統(tǒng)的需求也在不斷提高,希望能在同一塊硅片上實(shí)現(xiàn)更多的邏輯功能,由此可編程邏輯門陳列(FPGA)已逐漸成為集成電路設(shè)計(jì)的主流技術(shù)。而在FPGA設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯核(IP)的復(fù)用問(wèn)題已成為各大半導(dǎo)體公司縮短設(shè)計(jì)周期和降低產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,芯核復(fù)用技術(shù)中知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)問(wèn)題,已成為了眾多半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)共同關(guān)注的重點(diǎn)。
　　本文主要研究數(shù)字集成電路中芯核水印技術(shù)。針

2、對(duì)目前芯核水印技術(shù)中存在的水印安全性較弱、資源開(kāi)銷過(guò)高、水印可跟蹤性較差以及水印自恢復(fù)性較差等問(wèn)題,分別在SOC設(shè)計(jì)、時(shí)序邏輯電路FSM設(shè)計(jì)以及可測(cè)試性設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中提出了五種相應(yīng)的芯核水印方法,這些方法包括三種對(duì)應(yīng)的芯核水印嵌入算法、一種水印盲檢測(cè)方案和一種水印自恢復(fù)方案。本文的主要內(nèi)容如下:
　　1)提出一種基于混沌映射理論的芯核水印算法。針對(duì)芯核水印方法在物理抽象級(jí)中靈活性較低和資源開(kāi)銷較大的問(wèn)題,利用FPGA中查找表(LUT

3、)結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的特點(diǎn),該方案在水印的設(shè)計(jì)與嵌入過(guò)程中分別采用了兩種混沌映射的方法,前者采用散列化的混沌序列對(duì)水印信息進(jìn)行混沌置亂加密處理,而后者采用的混沌映射主要是用于產(chǎn)生兩個(gè)隨機(jī)序列,并使用這兩個(gè)隨機(jī)序列來(lái)分別控制水印信息嵌入空閑LUT的位置和比特信息分組的數(shù)目。在保證整個(gè)芯核水印電路邏輯功能不受影響的前提下,從VirtexXCV600-6bg432平臺(tái)上的驗(yàn)證結(jié)果表明,該方法具有實(shí)時(shí)性較好、安全性較高以及資源開(kāi)銷較低的優(yōu)點(diǎn)。
　

4、　2)提出一種基于有限狀態(tài)機(jī)(FSM)時(shí)間冗余屬性特征的芯核水印算法。針對(duì)目前FSM芯核水印算法中資源開(kāi)銷較大和安全性較差的問(wèn)題,該算法利用FSM中復(fù)雜電路邏輯狀態(tài)穩(wěn)定性的特點(diǎn),采用電路中STG的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)尋求電路邏輯功能中的最大延時(shí)狀態(tài)集,并通過(guò)特定的硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電路延時(shí)狀態(tài)集中水印信息的嵌入;倘若非法攻擊者對(duì)冗余邏輯狀態(tài)的時(shí)延信息進(jìn)行功耗攻擊,版權(quán)保護(hù)者便可利用時(shí)間狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系表來(lái)重新構(gòu)建出新的冗余邏輯狀態(tài),從而確保芯核邏

5、輯狀態(tài)不受功耗攻擊的影響。對(duì)水印算法進(jìn)行分析與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法能有效嵌入和提取水印信息,算法不僅降低了資源開(kāi)銷,而且還具有較強(qiáng)的抵抗功耗攻擊的能力。
　　3)提出一種基于最小向量相關(guān)度模型的多掃描鏈IP水印算法。針對(duì)目前掃描鏈的芯核電路結(jié)構(gòu)中掃描鏈向量相關(guān)性問(wèn)題將會(huì)對(duì)可測(cè)試芯核水印技術(shù)在資源開(kāi)銷以及水印嵌入的可靠性能方面造成較大的影響,該算法主要采用偽隨機(jī)測(cè)試向量生成器來(lái)產(chǎn)生掃描輸入測(cè)試向量序列,將該序列與待測(cè)IP電路共同

6、構(gòu)成具有不同向量相關(guān)度模型的掃描鏈水印結(jié)構(gòu),通過(guò)在掃描鏈結(jié)構(gòu)中附加約束條件的方法來(lái)設(shè)計(jì)改變特定寄存器的狀態(tài)信息,從而實(shí)現(xiàn)水印嵌入與提取。算法在不影響電路邏輯功能的條件下,既能有效的嵌入和提取出用戶的合法版權(quán)信息,又能較好地降低掃描鏈結(jié)構(gòu)中測(cè)試向量相關(guān)性過(guò)大的問(wèn)題。這種算法不僅在提高水印嵌入開(kāi)銷方面具有較好的優(yōu)勢(shì),而且在可靠性能方面也達(dá)到了較好的效果。
　　4)提出一種基于零知識(shí)證明思想的芯核水印盲檢測(cè)水印算法。該算法將芯核水印信息

7、有效的融合到零知識(shí)證明方案中,彌補(bǔ)了芯核水印交易雙方不能在公共場(chǎng)合中進(jìn)行水印盲檢測(cè)的缺陷。該算法通過(guò)把芯核水印信息中的零知識(shí)協(xié)議密鑰閥值作為某個(gè)水印信息安全認(rèn)證的憑據(jù),并把版權(quán)所有者的身份信息以及密鑰檢測(cè)閥值在雙方驗(yàn)證的零知識(shí)證明協(xié)議中公開(kāi);然后,采用置亂算法對(duì)水印的認(rèn)證信息進(jìn)行整體和分組置亂操作,使其能夠獲得水印公開(kāi)檢測(cè)時(shí)的安全保障;最后,水印在無(wú)需原始載體參與的情況下,能對(duì)公開(kāi)水印信息進(jìn)行盲檢測(cè),有效的提高了交易雙方在公開(kāi)場(chǎng)合進(jìn)行水

8、印檢測(cè)的可信度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相比于其他方法,該方案具有較好的穩(wěn)定性和安全性。
　　5)提出一種基于隱秘內(nèi)容自恢復(fù)機(jī)制的數(shù)字IP水印方案。該方案從水印遭到非法移除攻擊受損的角度出發(fā),構(gòu)造特殊表達(dá)式組合的形式來(lái)壓縮水印的預(yù)處理信息,并通過(guò)在統(tǒng)計(jì)的索引表中插入未用LUT的冗余屬性標(biāo)識(shí)符來(lái)嵌入自恢復(fù)水印信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:此方案中的芯核水印在水印受到非法攻擊的環(huán)境下,即使水印信息的受損程度達(dá)到40％,它仍能有效的自恢復(fù)出較完整的受損水印

9、信息。與已有方案相比:提出的方案不僅較好的抵抗去除攻擊的能力,而且在水印嵌入容量以及自恢復(fù)性能方面也表現(xiàn)出了較好的優(yōu)勢(shì)。
　　綜上所述,本文根據(jù)芯核水印技術(shù)的應(yīng)用需求,考慮了實(shí)際應(yīng)用中的不同約束條件,分析了芯核版權(quán)保護(hù)機(jī)制的必要性和可行性,綜合運(yùn)用了密碼學(xué)和信息隱藏等相關(guān)理論知識(shí),在不同應(yīng)用場(chǎng)景中分別設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的芯核水印方法。最后,在芯核交易的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,開(kāi)發(fā)出了一套具有大規(guī)模集成電路芯核知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)。因此