用于集成電路檢測電磁故障注入攻擊探測方法及探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及信息安全、密碼學(xué)與加密電路，具體講，設(shè)及用于集成電路檢測電磁 故障注入攻擊探測器。 技術(shù)背景
[0002] 隨著信息社會(huì)的發(fā)展，信息安全越來越受到人們的重視。密碼學(xué)與加密電路是現(xiàn) 代信息安全的重要保障，能夠防止未經(jīng)授權(quán)的訪問與非法信息獲取，并且在目前的科技水 平下，理論上無法通過數(shù)學(xué)分析與暴力手段破解。然而加密算法的實(shí)現(xiàn)離不開實(shí)際的忍片 電路，例如利用加密過程產(chǎn)生的功耗、電磁等側(cè)信道信息的側(cè)信道攻擊，或者利用加密過程 中發(fā)生錯(cuò)誤的故障攻擊，均可W通過后續(xù)數(shù)學(xué)分析進(jìn)而獲取密鑰等敏感信息[1]。
[0003] 故障注入攻擊是一種主動(dòng)的側(cè)信道攻擊方式，引起電路產(chǎn)生錯(cuò)誤的手段有多種， 例如電磁脈沖、激光照射、時(shí)鐘毛刺、電壓毛刺等等，目前已經(jīng)成為對安全忍片實(shí)施攻擊最 有效的手段巧]。運(yùn)種攻擊方式在已知加密電路所用加密算法的基礎(chǔ)上，通過對正在運(yùn)行中 的加密電路進(jìn)行特定的干擾，使其在特定的時(shí)刻發(fā)生運(yùn)算錯(cuò)誤，然后攻擊者通過采集到的 錯(cuò)誤的加密結(jié)果或者記錄分析電路運(yùn)算錯(cuò)誤后的表現(xiàn)，最后經(jīng)過差分故障分析等手段就可 W獲取加密電路的密鑰等信息。
[0004] 電磁故障注入攻擊作為一種局部性高精度的攻擊手段巧]，由于其操作相對簡單、 攻擊成功率高、電路影響范圍小等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注。運(yùn)種攻擊方式通過將電場 探頭或者磁場探頭置于加密電路附近[4]，在電路運(yùn)行到某一時(shí)刻進(jìn)行觸發(fā)，通過探頭產(chǎn)生 一個(gè)脈沖信號，從而在忍片內(nèi)部引發(fā)電磁干擾，變化的電磁場禪合到忍片的電源線或者關(guān) 鍵信號線，使得電路運(yùn)行出錯(cuò)。 陽〇化]加密電路的安全主要在于保護(hù)電路中密鑰的安全，而近年來，電磁故障注入攻擊 技術(shù)的提出，對信息安全造成了極大的威脅，因此需要開展針對電磁故障注入的防御措施。 在運(yùn)方面，一部分研究者在算法改進(jìn)方面進(jìn)行了研究，還有一部分在改變電路結(jié)構(gòu)方面進(jìn) 行了研究[5]。經(jīng)過相關(guān)文獻(xiàn)和專利的檢索，目前關(guān)于檢測電磁故障注入攻擊結(jié)構(gòu)的研究很 少，尚未有一種行之有效的檢測方法。本專利提出的基于組合邏輯延時(shí)的結(jié)構(gòu)配合環(huán)形振 蕩器作為內(nèi)嵌檢測結(jié)構(gòu)可W及時(shí)發(fā)現(xiàn)攻擊，并產(chǎn)生預(yù)警信號。
[0006] 參考文獻(xiàn) W07] 1、劉輝志，趙東艷，張海峰，等.近紅外激光故障注入系統(tǒng)在密碼忍 片攻擊中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014, 14 (22) : 225-230. DOI: 10. 3969/ j. issn. 1671-1815. 2014. 22. 043.
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為加密電路等信息安全相關(guān)集成電路提供針對電磁故障 注入攻擊的檢測，保證在攻擊發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是， 用于集成電路檢測電磁故障注入攻擊探測器，結(jié)構(gòu)為：AU A2、A3、A4、A5為5個(gè)反相器，級 聯(lián)形成環(huán)形振蕩器，環(huán)形振蕩器經(jīng)反相器B緩沖后輸出的振蕩信號一路直接輸入到組合邏 輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)Detectorl中，另一路經(jīng)過反相器C的反向，輸入到另一個(gè)組合邏輯延時(shí)比 較結(jié)構(gòu)Detector2中；實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能的組合邏輯Dl和觸發(fā)器El組成了 Detectorl,組合邏 輯D2和觸發(fā)器E2組成了 Detector2 ;兩個(gè)Detector的輸入信號連接到該Detector的觸 發(fā)器輸入端；兩個(gè)Detector的輸入信號經(jīng)過該Detector的組合邏輯輸出到該Detector的 觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端；兩個(gè)Detector的輸出經(jīng)過一個(gè)或口 F得到最終的報(bào)警信號Alarm。
[0012] 通過增大環(huán)形振蕩器中反相器內(nèi)晶體管的溝道寬度Wpff,減小反相器的晶體管數(shù) 目N來提高靈敏度。
[0013] 用于集成電路檢測電磁故障注入攻擊探測方法，借助前述探測器實(shí)現(xiàn)，并包括下 列步驟，
[0014] 首先對探測器的組合邏輯延時(shí)模塊Dl和D2進(jìn)行調(diào)試，使其延時(shí)等于環(huán)形振蕩器 輸出信號周期的3/4 ;然后根據(jù)電路面積和安全性的需求，將一定數(shù)量的探測器內(nèi)嵌于需 要保護(hù)的集成電路之中。
[0015] 對于需要保護(hù)的集成電路內(nèi)核屯、敏感模塊，探測器的布局相對密一些，對于電路 其余部分，探測器的布局相對稀松。
[0016] 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：
[0017] 利用本發(fā)明的注入攻擊的結(jié)構(gòu)，能夠有效地檢測到電磁故障注入攻擊的發(fā)生，該 結(jié)構(gòu)簡單易用，而且面積小，可W根據(jù)電路需要選擇不同數(shù)量的探測結(jié)構(gòu)布局在不同的位 置，實(shí)現(xiàn)對忍片不同程度的保護(hù)。
【附圖說明】：
[0018] 圖1檢測電磁故障注入攻擊的結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖2組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)原理示意圖一。
[0020] 圖3組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)原理示意圖二。
[0021] 圖4組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)原理示意圖S。
[0022] 圖5組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)原理示意圖四。
[0023] 圖6整體探測結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明為加密電路等信息安全相關(guān)集成電路提供針對電磁故障注入攻擊的檢測， 可根據(jù)電路面積的需要改變檢測結(jié)構(gòu)的數(shù)量與位置，與原有電路進(jìn)行很好的融合，保證在 攻擊發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)。
[00巧]本發(fā)明使用一種基于組合邏輯延時(shí)的結(jié)構(gòu)配合環(huán)形振蕩器作為內(nèi)嵌檢測結(jié)構(gòu)，設(shè) 計(jì)了可W為加密電路等安全忍片檢測電磁故障注入攻擊的結(jié)構(gòu)。
[00%] 1.本發(fā)明提出的檢測電磁故障注入攻擊的結(jié)構(gòu)W組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)和環(huán)形 振蕩器為核屯、，將其內(nèi)嵌于原始電路中構(gòu)成最終結(jié)構(gòu)。
[0027] 如圖1所示，是檢測電磁故障注入攻擊探測器（W下簡稱電磁攻擊探測器）的結(jié) 構(gòu)圖，41、42、43、44、45為5個(gè)反相器，級聯(lián)形成環(huán)形振蕩器。反相器6起到緩沖的作用，輸 出的振蕩信號一路直接輸入到組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)Detectorl中，另一路經(jīng)過反相器C 的反向，輸入到另一個(gè)組合邏輯延時(shí)比較結(jié)構(gòu)Detector2中。實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能的組合邏輯Dl 和觸發(fā)器El組成了 Detectorl,組合邏輯D2和觸發(fā)器E2組成了 Detector2。兩個(gè)Detector 的輸出經(jīng)過一個(gè)或口 F得到最終的報(bào)警信號Alarm。
[0028] 2.電磁故障注入對電路的影響原理
[0029] 電磁故障注入一般利用線圈中通過上升沿為納秒級的脈沖電流，在脈沖電流的 激勵(lì)下，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)脈沖磁場，該磁場W介質(zhì)磁化的方式向外傳播，從而對線圈附近的 電路忍片造成影響。當(dāng)線圈中通W穩(wěn)恒電流時(shí)，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，線圈上任取一點(diǎn)Q，電 流密度為J (單位A/m2)，則空間任意一點(diǎn)P的磁場：
[0031]其中畏為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T)，y。為真空磁導(dǎo)率，其值為4 JT X 10 7H/m，加g為線 圈在Q點(diǎn)處的微分，齊為Q到P的距離向量。雖然進(jìn)行故障注入時(shí)，通入的是脈沖電流，直 流激勵(lì)的磁場情況可W代表脈沖激勵(lì)穩(wěn)定時(shí)的情況，穩(wěn)定時(shí)線圈中屯、的磁場為：
[0033] 其中B和y。與上面相同，a為線圈的半徑（單位m)，I為脈沖穩(wěn)定時(shí)的電流（單 位A)，Z為距離線圈中屯、的長度（單位m)。
[0034] 由上式可見，當(dāng)線圈中流過電流后，線圈中的磁感強(qiáng)度與電流成正比，因而，電流 的方程和波形與磁場的方程和波形只差一個(gè)比例因子。比例因子只與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng) 線圈固定后，運(yùn)個(gè)因子是一個(gè)常數(shù)。因此，磁場是一個(gè)非周期的脈沖波形。
[0035] 任何處于電磁場中的導(dǎo)體都能感應(yīng)出電壓。當(dāng)電路忍片被置于運(yùn)樣的電磁環(huán)境中 時(shí)，禪合到電路的電磁場能量會(huì)造成一個(gè)大的電壓或電流脈沖，而忍片中的供電線路組成 的環(huán)是主要受到電磁影響的部分。用于近場故障注入的磁場探頭本質(zhì)上是一個(gè)同軸線，它 是感性的，有一個(gè)低的串聯(lián)電阻。磁場探頭和電路之間的電感禪合可W用互感系數(shù)來表 示：
[0037] 上式中M12為互感系數(shù)（單位H)，(1)2為穿過導(dǎo)體2的磁通量（單位師），I1為導(dǎo) 體1的電流（單位A)，12為導(dǎo)體2的電流（單位A)，y為磁導(dǎo)率（單位H/m)，瓦為垂直于 導(dǎo)體2的磁場強(qiáng)度分量（單位H)，為導(dǎo)體2的面元微分。
[0038] 假定禪合到電源線，會(huì)造成輸出有一個(gè)高低之間的跳變，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)功能模塊 無法輸出正確的信息。運(yùn)里，"禪合"的概念指的是電路、設(shè)備、系統(tǒng)與其