關(guān)于反熔絲FPGA的結(jié)構(gòu)和原理以及其在密碼芯片設(shè)計中的運(yùn)用淺析

1 引言

隨著計算機(jī)和通信的發(fā)展，信息傳輸過程中信息安全的重要性越來越受到人們的重視。在信息傳輸過程中，人們普遍采用將待傳輸?shù)男畔⒓用苓M(jìn)行傳輸，然后在收端進(jìn)行解密還原信息。對信息的加解密通常采用兩種方法：軟件加解密和硬件加解密。軟件加解密實(shí)現(xiàn)簡單，但須對密碼算法進(jìn)行多重保護(hù)存放且加解密速度較慢，而硬件加解密可加快加解密運(yùn)行速度。在當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下，對加密的速度要求將越來越高，如：在ATM、幀中繼、ISDN PRI等領(lǐng)域的加密，將會有數(shù)兆或數(shù)十兆以上的速度要求，所以硬件加密將是今后首選的加密手段。目前運(yùn)用的硬件加解密，大都采用SRAM型的FPGA實(shí)現(xiàn)，必須外掛一EEPROM存儲加載FPGA的數(shù)據(jù)，這就為信息安全帶來了巨大隱患，特別是在運(yùn)用于軍事、政府等部門的保密通信產(chǎn)品中。要求重要信息不得以明文的形式出現(xiàn)。另外，SRAM型FPGA速度較慢，延遲時間不定，也大大限制了它們在一些特殊場合下的運(yùn)用。

2 反熔絲FPGA的結(jié)構(gòu)和原理

曾經(jīng)，人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)芯片中的內(nèi)容不能讀出而采取定制或半定制的辦法，但這種方法生產(chǎn)周期長、不適合小批量生產(chǎn)。反熔絲FPGA的出現(xiàn)解決了人們的苦惱，大大方便了這種特殊應(yīng)用的需要。目前，生產(chǎn)反熔絲FPGA芯片的廠家有QUICKLOGIC、ACTEL等幾家。其中，QUICKLOGIC公司的反熔絲FPGA在我國開始大規(guī)模應(yīng)用。

QUICKLOGIC公司的ViaLink反熔絲(Antifuse)結(jié)構(gòu)是由四層金屬層和中間的覆蓋硅的鎢通道組成。覆蓋硅的鎢通道具有高電阻和高電容特性，起到金屬層之間絕緣層的作用，其電阻大于1千兆歐姆。但當(dāng)編程電壓作用于被選擇的覆蓋硅的鎢通道時，硅將轉(zhuǎn)變成低電阻連接，其電阻小于50Ω。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不同于SRAM型的FPGA，它沒有配置存儲器，因此

編程內(nèi)容是不可能被讀出的，正是該種特性使得該系列芯片在保密通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

反熔絲FPGA對于大多數(shù)設(shè)計可提供實(shí)現(xiàn)較好的性能，這是由于其可編程鏈路的電阻較小(反熔絲接點(diǎn)電阻50Ω左右)，具有較好的布線靈活性，不會妨礙信號傳送，并以最直接

的通路進(jìn)行，因而可大大提高芯片速度。眾所周知，隨著工藝的改進(jìn)，SRAM型FPGA其觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)速度已經(jīng)做得很高，而芯片的速度仍然受限，其原因是信號在芯片內(nèi)傳輸過程中所

耗時間占整個時延的60%左右，這就限制了整個芯片的速度。

目前，雖然反熔絲FPGA單片密度較SRAM FPGA的單片密度低，但對于大多數(shù)反熔絲FPGA在如下方面仍占領(lǐng)先的地位：布線結(jié)構(gòu)的靈活性，使軟件工具能夠較容易的實(shí)現(xiàn)自動的布局、布線，且修改設(shè)計時，即使重新布線也可保持原配置的輸出管腳不變。同時，在反熔絲FPGA之中的設(shè)計修改通常能保證在時延上變化很少，這是因?yàn)椴季€改變時所需的附加的可編程鏈路的時延增加不多。另外，反熔絲FPGA還具有功耗低、抗輻射能力強(qiáng)，耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)。

因此，反熔絲FPGA的特性使得其在保密通信產(chǎn)品中具有特殊的應(yīng)用。充分利用反熔絲FPGA的特性，可提高密碼算法芯片的加解密速度，同時利用反熔絲FPGA的編程內(nèi)容不能讀出，保護(hù)密碼模塊中的主算法，避免了其他的物理保護(hù)，從而提高了系統(tǒng)的安全性。