以Flash為基礎的FPGA實現(xiàn)高安全性與保密性的設計

保密的重要性

對電子系統(tǒng)而言，FPGA的保密性極其重要。圖1列出了兩個系統(tǒng)設計的示意圖，左邊為1995年所作的系統(tǒng)設計，在該設計中，以ASIC芯片為核心，F(xiàn)PGA僅起到膠合邏輯的作用；在右邊2005年進行的同類型系統(tǒng)設計中，不難發(fā)現(xiàn)FPGA已經(jīng)成為系統(tǒng)設計的核心，它整合了原有ASIC及部分ASSP芯片的功能，因此FPGA作為系統(tǒng)芯片直接取代了ASIC的功能。隨著FPGA性能、容量與功能的不斷提升，今天的FPGA 已成為系統(tǒng)的心臟、知識產(chǎn)權(quán)的集合，所以如果FPGA存在安全性問題的話，與其相關(guān)的產(chǎn)品將遭受嚴重打擊。

保密性定義——四個對FPGA最大的安全威脅

a.克隆

克隆是指競爭對手拷貝啟動 PROM 或從板上攔截處理器碼流并進行復制。如果設計中包含外部碼流時，則該設計的IP 對克隆非常脆弱。

b.反向工程

反向工程即競爭對手由重建您的設計原理圖或網(wǎng)表復制您的設計。在這個過程中，競爭對手將了解設計的運作從而進行改進。

c.過建

過建在把您的產(chǎn)品交給無道德的合同制造商生產(chǎn)時出現(xiàn)，這些制造商能在開放市場上購買額外的FPGA元器件，然后在廠家沒有允許的情況下，生產(chǎn)額外的產(chǎn)品，在沒有開發(fā)成本和不需要提供技術(shù)支持的條件下，以更低的價格在市場上售賣，從而牟取利潤。

d.拒絕服務

拒絕服務屬于惡意破壞的行為，您的競爭對手或者黑客能夠通過重新編程您系統(tǒng)上的 SRAM FPGA而使您的系統(tǒng)不能運行。拒絕服務使廠家的聲譽、產(chǎn)品的質(zhì)量等形象將遭到破壞。

Actel 第三代 Flash FPGA

在了解了保密性的定義及FPGA保密重要性的基礎上，Actel推出了第三代Flash FPGA，具有眾多優(yōu)點與特性。

Actel第三代Flash FPGA，包括兩個產(chǎn)品系列：ProASIC3與ProASIC3E。ProASIC3能實現(xiàn)30k到1M的門密度，它的容量高達144kb SRAM，具有288個 I/O ；ProASIC3E能實現(xiàn)600k到 3M的門密度，它的容量高達504kb SRAM，具有604個I/O。

這兩個系列均具備增強的高性能結(jié)構(gòu)，其時鐘頻率最高可達350MHz，相對于第二代產(chǎn)品來說，其封裝密度提高了20%，而邏輯利用率超過95%。SRAM的工作頻率也可達到350MHz，而且每個模塊中均帶有硬連線的FIFO控制功能。三個鎖相環(huán)（PLL）的輸出頻率也可達到350MHz，并且具有靈活的相位輸出、延遲、分頻和倍頻功能。這兩個系列同樣支持64 位、66 MHz的PCI總線。

作為以價值為基礎的FPGA，第三代產(chǎn)品提供了全新的功能，包括：所有器件都帶有1kb片上可配置的Flash ROM及帶硬連線 的AES 解密安全 ISP。上一代產(chǎn)品中的FPGA的保密措施在這一系列內(nèi)繼續(xù)保持，如片上 FlashLockTM 安全措施及針對單電壓工作而在片上集成的電荷泵。最后，需要提及的是產(chǎn)品支持19種不同的I/O標準，包括 LVDS等。Actel第三代Flash FPGA具有競爭性的成本優(yōu)勢，因為Flash 技術(shù)可省去SRAM FPGA額外的成本負擔。此外，F(xiàn)lash 技術(shù)還可以提供以下獨特的性能： ·單芯片；

·高安全性；

·上電即行；

·高可靠性 / 固件錯誤免疫性；

·低功耗；

·高性能。

Actel Flash FPGA的保密性特點

保密性特點

Flash FPGA的物理結(jié)構(gòu)與保密性

由于Flash非揮發(fā)性的特點，所以基于Flash 架構(gòu)的FPGA在一個可靠的環(huán)境下被編程以后，就不再需要一個另外的碼流，因此它不會受到克隆這種攻擊方式的威脅。另外，它對反向工程等入侵性攻擊有高度的

抵抗性，這是因為在Flash FPGA里面的用戶邏輯完全取決于Flash晶體管的內(nèi)容，就算把器件解體或剝離也只能顯露器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不是 Flash 晶體管的實際內(nèi)容。由于Flash FPGA表面的一致使它受到入侵性攻擊時，很難辨認其探針點。

A3P/E的保密特性

FlashLock可以保證器件上的保密設定不被隨便更改 ，它包括一個對應的密鑰，長度為128位，其揭露密鑰所需的時間為5.4x1023年，因此十分可靠。它還包括永久FlashLock及編程文檔的AES加密，其AES密鑰長度為128位，而揭露此密鑰所需的時間將長達149萬億年。

Flash ROM （FROM） 的特性及應用

第三代Flash FPGA是唯一帶片上Flash ROM （FROM）的FPGA，其FROM總共有1024位，分為8個頁，每頁的寬度為128位，見圖2。它的應用非常廣泛，包括：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議尋址、設備序列編碼、訂閱模式、系統(tǒng)校準設定、安全的加密匙存儲、資產(chǎn)管理跟蹤、用戶喜好存儲、日期標志及版本控制等。

保密性功能選項

在新FPGA上進行保密設計時，有幾種不同的保密性功能選項可供選擇：一、只利用FlashLock密鑰進行保護 （沒有AES加密），在這個選項下，用戶可選擇只保護FROM、只保護FPGA陣列或兩者同時保護。二、AES 加密加 FlashLock 密鑰保護，在這個選項下，AES 密鑰一直受到FlashLock密鑰保護，所以被AES加密過的文件不會包含F(xiàn)lashLock密鑰。三、只加密 FROM、只加密FPGA陣列或兩者同時加密，在這個選項下，可以獨立地更新FROM及FPGA 或?qū)ζ渚幊?。編程的格式可以為純文本格式?STAPL 文件或經(jīng) AES加密過的STAPL文件，在這兩種STAPL 文件里，可以只包括 FROM、FPGA陣列或兩者同時包括。

保密報頭

保密報頭包含兩種密鑰：FlashLock密鑰及AES密鑰，它也包括FROM及FPGA列陣的信息認證控制。它還包括FPGA陣列與FROM的保密設定。具體的FPGA陣列保密設定包括：寫入、擦除及校驗的存取控制與加密/不加密的存取控制 （寫入、擦除及校驗）；FROM的保密設定包括：寫入、擦除及讀取的存取控制（在此情況下校驗是一直被允許的）與加密/不加密的存取控制 （寫入、擦除及讀?。?。

信息認證模塊（MAC）

信息認證模塊負責認證整個編程碼流，見圖3，包括AES解密核心把STAPL文件解密；MAC檢查解密后的數(shù)據(jù)是否可被認識：如果正確，器件就可以被擦除及編程；如果不正確，軟件會防止編程序列被啟動。在認證進行過程中器件仍可正常工作。

另外該模塊還負責在編程數(shù)據(jù)傳進器件時檢驗是否存在損壞的數(shù)據(jù)，具體做法是在編程前對每個數(shù)據(jù)包進行驗證。

實施保密的軟件設置

以下我們將介紹如何進行保密的軟件設置，首先定制安全級別，如圖4所示：

用戶可在生成安全文件時，選擇“Custom Level”選項，將彈出“Custom Security Level”對話框，即可看到FPGA陣列與FROM的保密設定選項，具體的選項包括：

——只容許在 FlashLock 密鑰正確時寫入、擦除及校驗；

——只容許在 FlashLock 密鑰正確時寫入、擦除（校驗可以在沒有 Fl

ashLock 密鑰下進行）；

——只容許在器件內(nèi)有正確的AES密鑰時進行寫入、擦除及校驗（配置器件在重編程和校驗FPGA陣列時接受一個被加密的編程文件）；

注意：a.要求在器件內(nèi)有包含正確的AES密鑰；b.FlashROM在這個模式下讀取被禁止；c.加密過的FlashROM內(nèi)容只允許進行校驗。 ——接受沒有FlashLock或AES密鑰的純文本STAPL 文件的寫入、擦除、讀取 （Flash ROM） 及校驗。其次，設定保密包頭，如圖5所示：

在申請編程文件時點擊選擇“Security Settings”選項，在彈出的對話框中選擇期望的保密設定，并輸入FlashLock密鑰 （即軟件里的Pass Key） 及AES密鑰即完成了保密包頭的設定。最后，編程生成加密編程文件，如圖6所示。

為加密編程設定STAPL文件的具體步驟是：點擊選擇“Programming previously secured device（s）”選項，在彈出的對話框中點擊“FPGA Array Only”或“FlashROM Only”選項，或者兩者并選。最后，在彈出的“Security Settings ”對話框中的相應位置提供預編程時所用的同一個AES密鑰。

完整的解決方案

為了配合ProASIC3與ProASIC3E，Actel提供了全面的硬件工具支持。新推出的低成本ISP編程器、啟動工具套件（Libero Gold、FlashPro3、評估板及教程指南和文檔）、可進行批量編程的Silicon Sculptor及其他調(diào)試工具，如First Silicon Solution的Logic Navigator邏輯分析器及Synplicity的Identify RTL調(diào)試器等。

而全面的軟件工具支持包括：Libero 7.0（Gold 版可從網(wǎng)站免費下載）及業(yè)界提供的支持，如Synplicity的Synplify、Mentor Graphics的ModelSim、Magma的PALACE物理綜合及WaveFormer Lite的Reactive Testbench等。

Actel公司第三代以Flash為基礎的FPGA，除了高的安全性與保密性外，也是一個面向大批量生產(chǎn)的FPGA，它集成了ASIC與SRAM FPGA所有的優(yōu)點，包括：單芯片上電即行、非揮發(fā)性、低功耗、高安全性、高保密性、固件錯誤免疫性、片上NVM、低單位成本、低總系統(tǒng)成本、無 NRE費用、可快速構(gòu)建原型、快速的生產(chǎn)交貨期及系統(tǒng)內(nèi)可編程等諸多優(yōu)點。