基于图神经网络的门级硬件木马检测方法

集成电路(IC)供应链的全球化已经将大多数设计、制造和测试过程从单一的可信实体转移到世界各处各种不可信的第三方实体。使用不可信的第三方知识产权(3PIP)可能面临着设计被对手植入硬件特洛伊木马(HTs)的巨大风险。这些硬件木马可能会使原有设计出现性能降低、信息泄露甚至发生物理层面不可逆的破坏,严重危害消费者的隐私、安全和公司的信誉。现有文献中提出的多种硬件木马检测方法,具有以下缺陷:对黄金参考电路的依赖、测试向量覆盖率的要求甚至是手动代码审查的需要,同时随着集成电路规模的增大,低触发率的硬件木马更加难以被检测。因此针对上述问题,该文提出一种基于图神经网络硬件木马的检测方法,在无需黄金参考电路以及逻辑测试的情况下实现了对门级硬件木马的检测。该方法利用图采样聚合算法(GraphSAGE)学习门级网表中的高维图特征以及相应节点特征,并采用有监督学习进行检测模型的训练。该方法探索了不同聚合方式以及数据平衡方法下的模型的检测能力。该模型在信任库(Trust-Hub)中基于新思90 nm通用库(SAED)的基准训练集的评估下,实现了92.9%的平均召回率以及86.2%的平均F1分数(平均聚合,权重平衡),相比目前最先进的学习模型F1分数提高了8.4%。而应用于基于系统250 nm库(LEDA)的数据量更大的数据集时,分别在组合逻辑类型硬件木马检测中获得平均83.6%的召回率、70.8%的F1,在时序逻辑类型硬件木马检测工作中获得平均95.0%的召回率以及92.8%的F1分数。

基于级联结构特征的硬件木马检测方法

针对基于静态结构特征的机器学习方法对门级硬件木马检测结果检测率不高的问题,提出了一种基于级联结构特征的硬件木马检测方法。利用共现矩阵进行特征构建,并使用多对多结构的堆叠式长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)进行木马特征的训练与识别。实验结果表明,该方法在Trusthub的15个基准网表中获得了93.1%的平均真阳性率(TPR)、99.0%的平均真阴性率(TNR)和79.3%的F1-score。实验结果优于现有方法。

基于PSO-SVM的硬件木马检测

针对基于门级网表的硬件木马识别方法中硬件木马识别率低且识别效果不稳定的问题,提出一种基于粒子群优化支持向量机(Particle Swarm Optimization-Support Vector Machine,POS-SVM)算法的硬件木马检测方法。对电路的门级网表特征分析提取出7维特征,利用SMOTE算法对数据进行预处理,改善数据集类别不平衡问题,使用该特征训练支持向量机分类器,用粒子群算法对支持向量机的参数优化以获得较高的识别准确率,利用该分类器达到识别硬件木马的目的。实验结果表明,该算法提高了硬件木马的识别率,实现99.47%线网识别准确率。

基于多维特征的门级硬件木马检测技术

硬件木马已成为集成电路的主要安全威胁之一,然而现有的安全性分析方法从单一角度描述硬件木马特征,硬件木马的覆盖率低,难以应用到实际的检测中。分析了硬件木马的重要属性和典型结构,提出了13维硬件木马特征向量,可以覆盖目前所有已知类型的硬件木马;利用SMOTETomek算法对特征集进行扩展,消除训练数据集的不平衡性;使用随机森林算法评估13维特征的重要性,依据特征重要性排序和模型评分,优化木马特征集合;基于最优特征向量训练分类器,识别门级网表中的木马信号。基于Trust_Hub硬件木马库中的21个基准电路展开实验验证,木马检出率高达99.22%,误判率仅为0.01%。与现有文献相比,检测效果有了大幅提升。

MLDet:基于结构特征和XGBoost的硬件木马检测方法

随着集成电路(Integrated Circuit,IC)的规模日益庞大,IC的生产和制造全球化,不受信任的第三方很容易将硬件木马插入知识产权内核,从而威胁IC的安全。因此,有必要研究硬件木马的检测方法,特别是IC设计阶段的硬件木马检测。提出一种名为MLDet的方法,提取门级网表结构特征;用XGBoost算法来检测硬件木马。MLDet从已知网表中提取木马特征值,并使用XGBoost算法训练;将训练好的检测模型用于未知网表的检测;成功将网表中的节点分类为普通节点和木马节点。实验结果表明,MLDet获得了85.60%的平均硬件木马检测率,部分基准电路的平均硬件木马检测率达到100%。

基于XGBoost的混合模式门级硬件木马检测方法

针对恶意的第三方厂商在电路设计阶段中植入硬件木马的问题,该文提出一种基于XGBoost的混合模式门级硬件木马检测方法。该检测方法将电路的每个线网类型作为节点,采用混合模式3层级的检测方式。首先,基于提取的电路静态特征,利用XGBoost算法实现第1层级的检测。继而,通过分析扫描链的结构特征,对第1层级分离得到的正常电路继续进行第2层级的面向扫描链中存在木马电路的静态检测。最后,在第3层级采用动态检测方法进一步提升检测的准确性。Trust-Hub基准测试集的实测结果表明,该方法与现有的其他检测方法相比具有较优的木马检测率,可达到94.0%的平均真阳率(TPR)和99.3%的平均真阴率(TNR)。

面向门级网表的VLSI三模冗余加固设计

航天器在宇宙空间易受粒子的影响而产生错误,三模冗余技术是一种有效的容错机制。但是,现有的三模冗余加固设计一般是一款芯片定制一套加固方案,无法做到通用性。提出一种功能无关的VLSI门级网表三模冗余加固通用设计方案。通过对时序器件和组合逻辑器件进行不同的加固设计,实现三模冗余。根据对不同的工艺库的识别与理解,本方案还进行了驱动能力优化等。通过将上述方案工具化,并利用已有的众核处理器网表进行实验评估,全局时序器件加固面积增加为原始网表面积的185%,局部时序器件加固面积增加为原网表的1%-80%,加固方案可按设计需求配置。实验数据表明,加固后的网表中关键路径的平均时延增加为22.15%-22.86%,在设计需求配置下,性能可满足用户要求。

基于特征提取和SVM的硬件木马检测方法

针对现有基于机器学习的硬件木马检测方法检测率不高的问题,提出了一种基于特征提取和支持向量机(SVM)的硬件木马检测方法。首先在门级网表的节点中提取6个与硬件木马强相关的特征,并将其作为6维特征向量。然后将这些特征向量分为训练集和测试集。最后使用SVM检测木马。将该方法应用于15个Trust-Hub基准电路,实验结果表明,该方法可实现高达93%的平均硬件木马检测率,部分基准电路的硬件木马检测率达到100%。

基于多信号特征融合的硬件木马识别技术

针对现有基于信号特征的硬件木马检测方法中存在木马特征集单一、检测精度低和普适性差等问题,提出一种基于多信号特征融合的硬件木马识别方法。通过分析硬件木马的隐藏性,建立触发节点植入与载荷节点植入的硬件木马隐藏性模型,构造低静态翻转率、低动态翻转率、低组合0可控性、低组合1可控性和低组合可观察性的硬件木马特征集,利用KNN算法建立硬件木马检测模型。实验结果表明,该方法达到了98.23%的木马信号平均识别率,与文献[3]和文献[15]相比,分别提高了16.30%和10.24%,大幅提升了木马检测能力。

ePro系统的逻辑综合流程

本文以ePro系统为例,使用Synopsys公司的Design Compiler(DC)工具进行逻辑综合,介绍了综合所需的各种时序约束。

融入环形振荡器木马特征的无监督硬件木马检测

机器学习用于集成电路硬件木马的检测可以有效提高检测率。无监督学习方法在特征选择上还存在不足,目前研究工作主要集中于有监督学习方法。文章引入环形振荡器木马的新特征,研究基于无监督机器学习的硬件木马检测方法。首先针对待测电路网表,提取每个节点的5维特征值,然后利用局部离群因子(LOF)算法计算各节点的LOF值,筛选出硬件木马节点。对Trust-HUB基准电路的仿真实验结果表明,该方法用于网表级电路硬件木马的检测,与现有基于无监督学习的检测方法相比,TPR(真阳性率)、P(精度)和F(度量)分别提升了16.19%、10.79%和15.56%。针对Trust-HUB基准电路的硬件木马检测的平均TPR、TNR和A,分别达到了58.61%、97.09%和95.60%。

基于随机森林的硬件木马检测方法

针对硬件木马特征多样性以及激活效率低的现状,提出了一种基于随机森林的硬件木马检测方法,即在门级电路检测触发节点。首先,从已知网表中提取每个节点的特征值;然后,根据时序电路和组合电路两种情况,通过随机森林分类器赋予每种特征相应的权重并生成两种模型(双模型用于识别未知网表中的可疑触发节点,并且给出每个可疑触发节点的可疑度结果);最后,通过可疑度排名的前n%个可疑节点检测硬件木马。实验结果证明了该方法的优越性。

基于反向神经网络的硬件木马识别

针对侧信道、逻辑功能、逆向工程等硬件木马检测技术存在高成本、高设备要求、易受工艺噪声影响和不适用于大规模电路等问题,提出了一种基于反向神经网络的门级硬件木马识别方法。通过提取电路的门级网表特征,使用电路特征集构建全新反向神经网络,训练成门级硬件木马分类器。通过不断调整神经网络的隐藏层数和节点数,实现门级硬件木马识别,最终达到99.82%的正常电路识别率、87.83%的木马识别率和99.27%的线网准确度,在正常电路几乎完全识别的前提下,获得了较高的硬件木马识别效果。