基于路徑延時(shí)匹配的硬件IP核知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方法

　　摘要：隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)的安全性越來(lái)越受重視，電路設(shè)計(jì)盜用等知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)侵權(quán)行為嚴(yán)重?fù)p害了設(shè)計(jì)者和消費(fèi)者的權(quán)益，阻礙了集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文提出了一種有效保護(hù)IP核的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)電路，控制功能電路運(yùn)行結(jié)果的輸出，在消費(fèi)者未取得合法授權(quán)時(shí),功能電路無(wú)法正常工作，從而達(dá)到了保護(hù)電路的目的。本文將該保護(hù)方法運(yùn)用在實(shí)際的電路上，進(jìn)行仿真并驗(yàn)證了該方法的有效性。

　　引言

　　隨著片上系統(tǒng)SoC的迅速發(fā)展，IP復(fù)用的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題日益嚴(yán)重，危害了設(shè)計(jì)者和消費(fèi)者的權(quán)益^[1-3]。為了有效地保護(hù)IP核，需要有切實(shí)有效的保護(hù)方案。本文提出一種積極的IP保護(hù)方法。它通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)支路保護(hù)電路來(lái)鎖定需要保護(hù)的功能電路，用戶只有在獲得授權(quán)并得到正確的密鑰后，才能解鎖該電路，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的功能。該方法的基本原理是比較功能電路和保護(hù)電路的路徑延時(shí)，如果二者相同，則功能電路的輸出結(jié)果可以正確輸出，否則結(jié)果將無(wú)法向下傳遞。和傳統(tǒng)的采用密碼算法對(duì)IP核進(jìn)行加密的方法相比，本方法不僅可以防止IP核流通過(guò)程中的盜用，還可以防止IP核使用過(guò)程中的盜用。

　　1 背景技術(shù)

　　目前主流的IP核保護(hù)方法有加密保護(hù)法^[4]、水印保護(hù)法^[5]和基于硬件鎖的保護(hù)法^[6]。加密保護(hù)法使用密碼學(xué)算法對(duì)IP核進(jìn)行加密，可以防止IP核在流通過(guò)程被盜用。在合法用戶獲得密鑰解密IP核后，它就失去了保護(hù)。水印法^[7]在電路中嵌入代表設(shè)計(jì)者信息的數(shù)字水印，通過(guò)提取該水印達(dá)到IP識(shí)別和追蹤的目的。水印法屬于被動(dòng)IP保護(hù)法?；谟布i的保護(hù)方法則是在芯片制造后，利用工藝偏差與邏輯功能的相互關(guān)聯(lián)來(lái)鎖定每一個(gè)芯片，沒(méi)有解鎖的密碼，芯片不能正常工作。該方法主要針對(duì)芯片的IP保護(hù)。

　　IP核根據(jù)設(shè)計(jì)的靈活性分為軟核、固核、硬核三大類，依次靈活度依次降低^[8]。本文所要保護(hù)的是IP固核，固核指的是帶有平面規(guī)劃信息的網(wǎng)表，通常以RTL 代碼封裝和對(duì)應(yīng)的具體工藝網(wǎng)表的混合形式提供。將RTL 描述結(jié)合具體標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成門級(jí)網(wǎng)表，再通過(guò)布局布線即可使用。固核兼具設(shè)計(jì)靈活性和性能可預(yù)見性是IP 核的主流形式之一。所以，IP固核的保護(hù)尤為重要。

　　本文采用的是硬件鎖保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)IP固核的保護(hù)，保護(hù)電路加入了狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)密鑰的檢測(cè)，只有在密鑰輸入正確的情況下，保護(hù)電路才會(huì)解鎖被保護(hù)電路。

　　2 實(shí)現(xiàn)方法

　　2.1 電路結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，電路包括左右兩條數(shù)據(jù)路徑，右邊的數(shù)據(jù)路徑是待保護(hù)的電路，其輸入到運(yùn)行結(jié)果需要經(jīng)過(guò)多個(gè)周期。左邊的部分則為添加的保護(hù)電路，控制右邊電路的輸出，達(dá)到輸出或者屏蔽的目的。該保護(hù)電路主要包括兩部分：一是移位寄存器，在功能電路的使能信號(hào)、輸出有效信號(hào)以及狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)的聯(lián)合控制下進(jìn)行移位操作;二是進(jìn)行密碼檢測(cè)機(jī)，只有在用戶輸入的密碼完全正確的前提下，移位寄存器才能正常移位，進(jìn)而達(dá)到解鎖功能電路的目的。

　　圖1中ce為整個(gè)電路的使能信號(hào)，data為功能電路的輸入數(shù)據(jù)，out2為功能電路的運(yùn)行結(jié)果，RDY信號(hào)為功能電路的輸出有效信息，即在經(jīng)過(guò)UPC的輸入輸出延遲后，out2輸出運(yùn)行結(jié)果，同時(shí)RDY信號(hào)有效。R為移位寄存器的使能信號(hào)，移位寄存器的輸出接受狀態(tài)機(jī)的密碼檢測(cè)，如果密鑰匹配，則狀態(tài)機(jī)的輸出不影響移位操作。ce和RDY信號(hào)分別控制移位寄存器的開始移位操作和結(jié)束移位操作。

　　右邊的數(shù)據(jù)路徑在使能信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下是能正常工作的，其工作不受左邊保護(hù)支路的影響，左邊支路的保護(hù)作用主要體現(xiàn)在是否讓電路的運(yùn)行結(jié)果正確輸出，這就涉及到左邊電路與右邊電路的路徑延時(shí)匹配問(wèn)題。在下一節(jié)中介紹兩條路徑的匹配問(wèn)題。

　　2.2 路徑的匹配

　　功能電路在經(jīng)過(guò)一定的輸入輸出延時(shí)后，運(yùn)行結(jié)果將在out2管腳顯示，如果在此刻及以后的時(shí)間內(nèi)，保護(hù)電路的輸出管腳mux(即選擇器的選擇端)輸出值1，那么經(jīng)過(guò)圖中的選擇器后，功能電路運(yùn)行結(jié)果out2將在out端口可用。

　　保護(hù)電路和功能電路共用使能信號(hào)ce，假如移位寄存器中存入正確的密鑰，則在狀態(tài)機(jī)的控制下，移位寄存器正常移位。每個(gè)周期移動(dòng)一位，直到UPC電路的輸出有效信號(hào)RDY經(jīng)過(guò)n周期后有效，移位終止。此時(shí)，fsm_out 輸出仍為高電平，若此時(shí)SRL的輸出out1為高電平1，那么經(jīng)過(guò)“與”門操作后，將實(shí)現(xiàn)解鎖的目的，即初始值的n-bit對(duì)應(yīng)為解鎖位，n對(duì)應(yīng)于功能電路的延遲周期。如果SRL中的初始值輸入錯(cuò)誤，則狀態(tài)機(jī)輸出fsm_out為低電平0，移位寄存器停止移位，電路被鎖定。

　　由此可見，只有在移位寄存器的初始值輸入正確的情況下，兩條路徑的延時(shí)才能匹配，達(dá)到解鎖的目的，否則，電路將被鎖死。對(duì)于n比特的初始值，猜出正確序列的可能性為1/(2n)，故n越大越有利于提高該保護(hù)方法的可靠性。