波动动态差分逻辑RISC-V CPU芯核的功耗抑制技术研究

差分功耗分析(DPA)攻击不仅威胁加密硬件,对加密软件的安全性也构成严重挑战。将波动动态差分逻辑(WDDL)技术应用在RISC-V指令集的处理器芯核上可减少功耗信息的泄露。但是,WDDL技术会给电路引入巨大的功耗开销。该文针对基于WDDL的RISC-V处理器芯核提出两种功耗抑制方法。虽然随机预充电使能技术与指令无关,而预充电使能指令技术需要扩充指令集,但这两种方法都是属于轻量级的设计改进。仿真结果表明,采用了随机预充电使能技术和预充电使能指令技术的Rocket芯核的电路功耗分别是原始的WDDL Rocekt芯核功耗的42%和36.4%。

基于差分逻辑的多值加法电路研究

该文提出了一种新的多值电流模电路高速运算系统的设计,电路用差分逻辑与双轨互补输入,使得信号电压摆幅小,电流恒定,从而使电路延迟减小。作为运算系统的一个应用,针对二进制符号数加法传统算法的不足,提出了基于差分逻辑多值电流模的基-2符号数加法器设计,实验结果表明与传统结构相比,该算法实现的电路速度更快、面积更小、动态功耗更少。

抗差分电磁分析逻辑电路研究

动态差分串联电压开关逻辑(DDCVSL)、SABL等逻辑电路抵御差分电磁分析时,其防护能力受到电路布局布线的限制。针对该问题,在DDCVSL的基础上引入掩码机制,提出一种改进的防护逻辑(MDDCVSL),并给出一种双轨门电路电磁信息泄漏分析方法。实验采用TSMC 0.18μm工艺设计MDDCVSL、DDCVSL、SABL等逻辑的与非门,结果表明,MDDCVSL能有效去除电磁信息泄漏,具有较小的功耗、面积和时延。

基于差分传输管预充电逻辑的功耗恒定性电路改进设计

通过分析差分传输管预充电逻辑(DP2L)的电路结构,发现该电路还无法达到完全的功耗恒定特性,仍然存在被功耗攻击的风险。针对该问题,该文对DP2L的电路结构进行改进,并用Hspice对改进前后的电路进行模拟仿真测试。实验表明:改进后的DP2L电路结构具有更好的功耗恒定特性,更能满足该逻辑电路的设计要求。

一种新型的抗DPA攻击可配置逻辑结构

DPA(Differential Power Analysis)攻击的强度取决于芯片电路功耗与所处理的数据之间的相关性以及攻击者对算法电路实现细节的了解程度.本文结合动态差分逻辑和可配置逻辑的特点,提出了一种具有抗DPA攻击能力的双端输出可配置逻辑(DRCL:Dual-Rail Configurable Logic).该逻辑一方面具有与数据取值无关的信号翻转率和信号翻转时刻,因而能够实现很好的功耗恒定特性;另一方面去除了电路结构与电路功能之间的相关性,从而可以阻止攻击者通过版图逆向分析的方法窃取算法电路实现细节.实验结果表明,DRCL比典型的抗DPA攻击逻辑WDDL(Wave Dynamic Differential Logic)具有更好的功耗恒定性,因而具有更强的DPA攻击防护性能.

基于LBDL逻辑的抗DPA攻击电路设计方法

动态差分逻辑是一种典型的电路级差分功耗攻击(DPA)防护技术。这种技术通过使逻辑门保持恒定的翻转率来降低电路功耗与数据信号之间的相关性。介绍了一种新型的、基于查找表(Look-Up-Table,LUT)结构的动态差分逻辑(LBDL),以及基于这种逻辑的集成电路设计方法。该设计方法仅需在传统的半定制设计流程中添加少量的替换操作就可以实现,因而比其他完全需要全定制设计的动态差分逻辑具有更好的实用性。而相对同样适用于半定制实现的动态差分逻辑WDDL(Wave Dynamic Differential Logic),LBDL逻辑解决了逻辑门翻转时刻与数据信号之间的相关性,从而比WDDL逻辑具有更好的功耗恒定性。实验结果表明,该设计方法能够有效实现具有抗DPA攻击性能的电路。

MOS电流模逻辑加法器结构设计

为克服传统静态CMOS电路在高频工作时的缺陷,引入了MOS电流模逻辑(MOS Current Mode Logic,MCML)电路.MCML电路是一种差分对称结构逻辑电路,与传统的CMOS电路比较,在高频段工作时功耗相对较低,具有典型的高速低功耗特性.在对MCML电路的开关条件以及具有不同输入端的MCML逻辑门电路进行分析后,提出了实现MCML加法器的两种电路结构,并给出了不同结构的应用条件.仿真结果验证了电路结构设计的有效性.

抗功耗攻击的逻辑电路研究

通过分析双轨电路的主要功耗泄露类型,评估了传统抗功耗攻击逻辑电路的安全性,指出其安全性漏洞。针对其漏洞,对LBDL电路进行改进,并提出了一种将改进后的电路与掩码技术相结合的MLBDL电路。Hspice仿真实验表明,MLBDL电路不仅能够消除由双轨信号布线差异引起的功耗泄露,而且能够消除由输入延时差异引起的功耗泄露,其抗功耗攻击能力显著增强。

防DPA攻击的两种不同逻辑比较研究

DPA是一种非常有效的密码处理器攻击技术,它能够通过对密码处理器的功耗行为进行分析来获取密钥值。运用功耗恒定的标准单元实现密码处理器可以很好地达到防DPA攻击的目的。本文针对不同的集成电路制造工艺,分别对DDCVSL与SABL两种不同逻辑的防DPA攻击特性进行比较分析。实验结果表明,随着晶体管沟道长度的减小,内部节点电容对功耗恒定特性的作用逐渐减小,DDCVSL与SABL具有相近的防DPA攻击特性。同时,DDCVSL的功耗、延迟与面积小于SABL。

低功耗动态三值CMOS D触发器设计

低功耗设计在当前超大规模集成电路中越来越重要.本文以一种没有直流功耗,具有完全电压摆幅的低功耗动态CMOS三值反相器作为基础,结合简单三值差分逻辑(STDL)的结构,设计了一种低功耗动态三值CMOS D触发器.该触发器能很好地实现动态D触发器的逻辑功能,并且具有结构简单、芯片面积小、时钟简单等优点.Pspice模拟表明所设计的触发器还具有速度快、功耗低的优点,它比二值动态TSPCL D触发器节省近35%的能耗.

抗电磁侧信道攻击的AESS盒设计

根据改进的动态差分掩码防护逻辑以及集成电路的半定制流程设计高级加密标准S盒,采用TSMC0.18μm工艺实现基于3种不同逻辑单元的S盒,并对其抗电磁侧信道攻击性能进行评估。实验结果表明,基于掩码防护逻辑的S盒电磁辐射与输入数据相互独立,能克服双轨电路信号线不平衡导致的信息泄漏问题,从而增强电路的抗电磁侧信道攻击能力。

暂态稳定预防控制和紧急控制的协调

研究了预防控制与紧急控制的互补性 ;强调在线预决策对暂态稳定控制的重要性 ;指出量化分析是决策优化的一个关键。指出预防控制和紧急控制的协调对电力市场下互联电网安全经济运行非常重要 ,并提出协调控制的数学模型、框架和逻辑—差分—微分—代数方程的稳定性分析和控制优化方法。

一种使用Advance MS的全定制加法器加速设计

采用一种加速全定制IC设计的方法,完成了基于CSMC(华润上华)0.5 μm工艺的32位加法器的设计。使用动态差分多米诺逻辑,实现了基于Brent-Kung树结构的超前进位加法器;采用Mentor Graphics Advance MS仿真软件,加速进行Spice网表的仿真和版图后仿。仿真结果验证了Spice网表的正确性,得出加法器在版图后仿的关键路径延时为4.62 ns,整个设计流程可以应用于其他一些重要核心单元的全定制设计。

基于DCVSL的硬件木马检测

针对硬件木马检测问题,分析了DCVSL(差分串联电压开关逻辑)电路的特性,激活的硬件木马引起DCVSL的输入非互补,电路就会产生一个异常的短路电流.在此基础上提出了基于DCVSL结构的固有特性,利用电路平均短路电流旁路分析的硬件木马检测方法.通过HSIPCE蒙特卡罗分析仿真,以C432标准电路作为测试电路,植入一个微小的硬件木马,仍然检测出了电路中木马的存在,验证了方法的有效性.