一款防数据残留攻击的安全sram全定制设计-fully customized design of a secure sram against data residue attacks.docxVIP

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2018-06-03 发布于上海
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一款防数据残留攻击的安全sram全定制设计-fully customized design of a secure sram against data residue attacks.docx

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一款防数据残留攻击的安全sram全定制设计-fully customized design of a secure sram against data residue attacks

摘要随着集成电路的不断发展以及人们对信息安全越来越重视，安全系统的设计逐渐从软件到硬件发展。静态随机存储器（SRAM）作为一种易失性存储器，在涉及到信息安全的场合中受到了广泛地应用。很多安全系统都以SRAM作为密钥的存储器。但在断开电源后，SRAM的数据会保留一段时间，造成信息被窃取。有实验表明，在-30℃时断开电源的情况下，数据可以保留0.5~2分钟，而且尺寸越小的实验芯片数据残留时间越长。因此针对深亚微米下SRAM数据残留的研究和防数据残留攻击的芯片设计就具有重要的应用价值。本文首先对SRAM数据残留机理进行了概述，分析了一些低温下针对数据残留攻击的方法以及相关防御策略。通过分析，提出了一种采用数据擦除策略来防数据残留攻击的方案，即在芯片检测到攻击时，通过特殊电路擦除存储单元数据。结合该方案，针对数据残留攻击的特性，设计并实现了一个带有数据擦除晶体管的读写分开的存储单元结构。并根据该结构存储单元的工作特性，提出了逐行擦除数据的控制方法，设计并实现了一个数据延时擦除控制电路。另外，为增强芯片应用性能，提高稳定性和降低功耗，设计中还对关键电路进行了优化，包括采用多级译码技术、改进灵敏放大器、改进预充控制电路等。最后，从版图设计的角度，对版图布局布线、基本模块设计和版图验证与模拟进行了分析与设计。本文在65nm工艺下，采用全定制设计方法实现了一款防数据残留攻击的16Kb（512×32bit）SRAM芯片，通过模拟和验证，达到了设计目标。该SRAM版图面积为0.079mm2，用于数据擦除设计的面积占21.27%。在常温下，1GHZ的工作频率时，其数据写入时间为599ps，数据读出时间为698ps，平均功耗为4.74mW。关键词：静态随机存储器，数据残留，全定制设计，65纳米AbstractWiththedevelopmentofVLSIandtheinformationsecurityispaidattentiontomoreandmore,thedesignsofthesecuritysystemdevelopfromthesoftwaretothehardwaregradually.Asakindofvolatilememorystorage,SRAMiswidelyappliedtoinvolvingintheoccasionofinformationsecurity.Itisregardedasthememorizerofthekeyinalotofsecuritysystems.Ithasadataremanencewhenitispower-off,whichmaycauseinformationtobestolen.Theexperimentresultsshowthat,thedatacanbekeptfor0.5~2minutesat-30℃afterpoweroff,moreover,aschipsizeissmallerthedataremanenceislonger.Itisimportanttoresearchondataremanenceindeepsub-micronSRAManddesignsecuritySRAMagainstdataremanenceattack.Atfirst,thephysicalmechanismofdataremanenceinSRAMisdiscussed.Thenthetechnologyofdataremanenceattackedatlowtemperatureandthedefensetacticsisdiscussed.Throughanalysis,asolutionwithdataerasurestrategyagainstdataremanenceattackisproposed,thatiserasingthedatathroughaspecialcircuitwhenattackisdetectedonthechip.Combiningthisscheme,tothecharacteristicsofdataremanence,aSRAMcellstructurewithdataerasuretransistorisdesignedandimplemented,whichreadlineandwritelineareseparated.Progressiveerasecontrolmethodisproposedaccordingtoitsworkcharacteristics.Designedandimplementedadelayerasecontrolcircuit.Inordertoimprovetheperformanceoftheprop