基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法与流程

本发明涉及集成电路可信任性技术领域，具体涉及一种基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法。

背景技术：

随着电子设计自动化技术和半导体制造工艺的飞速发展，单片数字集成电路芯片集成的功能越来越复杂，电路规模越来越大，集成度越来越高，从而广泛的应用于现代科技的各个领域，特别在金融设备，移动通信，交通运输，政府和能源等敏感领域。集成电路对社会的进步和经济的发展起着越来越大的推动作用，已经成为支撑经济社会发展的战略性、基础性和先导性产业。

在商业全球化的今天，集成电路芯片的设计与制造逐渐趋于全球化。集成电路芯片的上市需要经历设计、制造、封装与测试四个阶段。由于集成电路产品的先进性和复杂性，同时为了更合理的利用资源和资金配置，单片集成电路的设计与制造过程完全由多家单位联合完成，其中不乏合资企业或者外资企业。集成电路的设计与制造过程的分离，给集成电路的安全性带来了极大的风险，例如在设计阶段大量复用第三方ip核，在制造过程中存在不可信的掩膜版，在封装过程中可能存在冗余封装等。这类安全威胁都统称为硬件木马，硬件木马从底层硬件方面渗透进来，攻击者针对特定的系统进行巧妙的设计，隐蔽在电路的底层，可以独立的实施攻击行为，例如改变功能、泄露信息、特权升级、拒绝服务等，也可以结合软件攻击进行组合攻击。

硬件木马问题正在成为集成电路的重要安全隐患，一旦被硬件木马影响的芯片被应用于军用装备及国民经济核心领域中，将会带来严重的灾难和不可估计的经济损失，因此开展硬件木马的检测与防护技术研究，保证集成电路的安全可信是世界各国的共同关注的话题。

近年来，随着研究的逐渐深入，在硬件木马检测技术方面取得了卓越的成果。而侧信道分析具有较低的实施成本、较高的检测精度，较好的移植性和延展性，一经提出就展示出来了较为乐观的应用前景，成为了当前的检测方法的主流。基于侧信道分析的硬件木马检测方法严重依赖于可信母本电路的存在，通过比较可信母本电路与待测电路的侧信道信息的差异，来判别待测芯片是否含有硬件木马。然而在实际中由于芯片供应链的不可控及可信芯片验证高额的成本,可信母本电路的获取极其困难，因此利用芯片的设计数据,建立可信侧信道参考模型，就无需实际制造的母本芯片，对硬件木马检测技术的发展具有重要的意义。

在侧信道信息仿真方面，功耗和延时等均已有成熟的eda工具和方针方法利用。在电磁仿真方面，直接利用已有的ansys等商业软件进行集成电路电磁辐射的计算，需要耗费过高的时间和资源成本。另外经过相关文献和专利的检索，目前尚未有相关成熟的电磁侧信道仿真方法发表

为了快速得到可信母本电路的侧信道仿真模型，节约时间和资源成本，本专利提出一种基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法。利用选定的工艺库对rtl代码进行综合布局布线后得到芯片版图，提取网表文件与寄生参数文件，利用hspice仿真软件进行电流仿真得到各电路节点的电流波形文件，建立等效电偶极子阵列，计算等效电偶极子阵列的时域电磁辐射，获得电磁侧信道时域可信模型。

(三)参考文献

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技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出电磁侧信道建模方法，该方法可以辅助用于基于侧信道分析的硬件木马检测领域，降低获取可信母本的时间和资源成本，具有一定的实际意义和参考价值。为此，本发明采取的技术方案是，基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法，步骤如下：

步骤1：利用hspice仿真软件进行晶体管级瞬态电流仿真，获取各支路电流的瞬时电流；

步骤2：利用芯片版图数据提取各层支路电流的空间位置信息，建立空间电偶极子阵列模型；

步骤3：计算空间电偶极子阵列的电磁辐射，得到集成电路的电磁侧信道时域波形。

步骤1具体地细化如下：

步骤1：利用选定的工艺库对芯片rtl代码进行逻辑综合，布局布线后生成芯片版图；

步骤2：提取版图的理想网表文件，并利用starrcxt寄生参数提取工具提取版图的电阻及电容寄生参数；

步骤3：rc寄生参数反标理想网表文件后，利用hspice软件进行晶体管级的电路仿真，得到电路各节点的瞬态电流变化文件。

步骤2具体细化如下：

步骤1：在布局布线阶段，提取芯片各层的物理信息，包括布局位置与布线方向；

步骤2：将各层物理信息标注到hspice电流仿真中得到的支路电流中，获得芯片版图各层的电流分布模型；

步骤3：基于毕奥-萨伐尔定律将电流源等效为电偶极子，进而建立版图的等效空间电偶极子阵列模型。

进一步地，通过各空间电偶极子的电磁场的叠加即可获得芯片的侧信道电磁辐射信息，电偶极子的辐射公式如下：

其中，电偶极子长度为l，i为电偶极子上电流，为观测点在球坐标系的坐标分量，为磁场分量，而er、eθ为电场分量。

本发明的特点及有益效果是：

本发明基于电偶极子模型对侧信道电磁信息进行建模，首先利用芯片版图提取寄生参数信息，进行hspice版图后仿得到各层瞬态支路电流。利用布局布线过程包含的空间物理信息，获取各支路电流的位置坐标，进而建立空间平面电流分布模型。最后利用电偶极子模型建立对应的空间电偶极子阵列，通过计算电偶极子阵列的电磁辐射获得芯片的电磁侧信道信息。该方法利用芯片原始数据仿真电磁侧信道信息，作为可信参考模型进行基于侧信道分析的硬件木马检测，无需实际制造的母本芯片，解除了当前硬件木马检测技术对母本芯片的依赖，对硬件木马检测技术的发展具有重大意义。

附图说明：

图1版图电流仿真流程图。

图2空间电偶极子阵列建模方法的流程图。

图3电偶极子的辐射示意图。

具体实施方式

本发明针对在基于侧信道分析的硬件木马检测过程中可信母本获取困难的问题，提出了一种基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法，即将电路节点等效为电偶极子，并利用提取的寄生参数文件进行电流仿真，得到各电偶极子的电流激励源，进而建立芯片版图的等效电偶极子阵列，通过计算等效电偶极子阵列的电磁辐射得到电路电磁侧信道时域波形。该方法可以辅助用于基于侧信道分析的硬件木马检测领域，降低获取可信母本的时间和资源成本，具有一定的实际意义和参考价值。

本发明的完整技术方案如下：

基于空间电偶极子阵列的电磁侧信道建模方法主要包括以下步骤：

步骤1：利用hspice仿真软件进行晶体管级瞬态电流仿真，获取各支路电流的瞬时电流。

步骤2：利用芯片版图数据提取各层支路电流的空间位置信息，建立空间电偶极子阵列模型。

步骤3：计算空间电偶极子阵列的电磁辐射，得到集成电路的电磁侧信道时域波形。

电磁辐射来源于集成电路中的控制单元、i/o端口、数据处理或其他部分的电流流动。以反相器为例，当一个比特位发生翻转，反相器的nmos管和pmos管会导通一小段时间，这就导致一个从vdd到vss的短暂电流脉冲，这个电流会在芯片周围产生一个变化的电磁场。另外，由于数字电路的开关特性，当输入发生翻转时，寄生电容会根据不同的输入信号进行充放电，形成充放电电流。在这些的作用下，金属导体不断的产生电磁辐射。

考虑到芯片的金属层，集成电路的金属层长度都是在微米数量级上且远小于电磁辐射的波长，可等效为一个电偶极子。金属层在芯片工作时就会有电流通过，由电磁辐射的原理可知,每一段金属层就是一个电偶极子天线向空间发射电磁辐射。因此本发明将版图上的各支路的电流变化等效为等效电偶极子阵列，计算集成电路产生的电磁侧信道信息。

图1为技术方案中涉及的电流分析的流程图，其主要过程如下：

步骤1：利用选定的工艺库对芯片rtl代码进行逻辑综合，布局布线后生成芯片版图。

步骤2：提取版图的理想网表文件，并利用starrcxt寄生参数提取工具提取版图的rc(电阻及电容)寄生参数。

步骤3：rc寄生参数反标理想网表文件后，利用hspice软件进行晶体管级的电路仿真，得到电路各节点的瞬态电流变化文件。

图2为技术方案中涉及的空间电偶极子阵列建立方法的流程图，主要包括以下步骤：

步骤1：在布局布线阶段，提取芯片各层的物理信息，包括布局位置与布线方向等。

步骤2：将各层物理信息标注到hspice电流仿真中得到的支路电流中，获得芯片版图各层的电流分布模型。

步骤3：基于毕奥-萨伐尔定律将电流源等效为电偶极子，进而建立版图的等效空间电偶极子阵列模型。

由于将版图上的瞬态支路电流等效为空间电偶极子，这样，每个电偶极子都会产生各自的电磁场，通过各空间电偶极子的电磁场的叠加即可获得芯片的侧信道电磁辐射信息。电偶极子的辐射公式如下：

其中，电偶极子长度为l，i为电偶极子上电流，为观测点在球坐标系的坐标分量，为磁场分量，而er、eθ为电场分量。

电偶极子的辐射示意图见图3。