邏輯問題

　　對(duì)于要構(gòu)建的所有單元，開發(fā)商（OEM）必須向利用嵌入式FPGA制造產(chǎn)品的合同廠商（CM）提供適當(dāng)?shù)念A(yù)編程安全存儲(chǔ)器。這種一對(duì)一的關(guān)系限制了CM能夠構(gòu)建的授權(quán)設(shè)備的數(shù)量。為了防止CM竊取安全存儲(chǔ)器 （例如：聲稱由于某些內(nèi)存的編程不正確，需要更多內(nèi)存），建議OEM對(duì)安全密鑰設(shè)置寫保護(hù)。

　　即使其沒有寫保護(hù)，也無需擔(dān)心1-Wire EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的安全性。設(shè)計(jì)保證只有知道密鑰的人才能夠更改該存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。這一附加作用很受歡迎，因?yàn)樵摴δ苁箲?yīng)用設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行軟件功能管理—FPGA可以根據(jù)從SHA-1安全存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)激活/禁止某些功能。

　　OEM 并不總是在將存儲(chǔ)器件運(yùn)送給CM之前先對(duì)其進(jìn)行預(yù)編程。為了解決這一問題，安全存儲(chǔ)器制造商可以為OEM設(shè)置SHA-1密鑰和EEPROM陣列預(yù)編程服務(wù)。Maxim為您提供這樣的服務(wù)，根據(jù)OEM的輸入，在工廠登記和配置安全存儲(chǔ)器，然后將其直接運(yùn)送給CM。該服務(wù)具有以下主要優(yōu)勢：

　　消除OEM向CM透露密鑰的必要性。

　　避免了OEM實(shí)施自己預(yù)編程系統(tǒng)的必要性。

　　只有OEM授權(quán)的第三方可以訪問注冊器件。

　　供應(yīng)商保存運(yùn)輸數(shù)量的記錄，以備OEM審核。

　　方案驗(yàn)證

　　本文介紹的FPGA安全認(rèn)證方案已經(jīng)在Altera和Xilinx產(chǎn)品上進(jìn)行了測試，Altera在其白皮書“An FPGA Design Security Solution Using a Secure Memory Device”中總結(jié)道：“即使配置數(shù)據(jù)比特流被捕獲，這種FPGA安全性設(shè)計(jì)的IFF方案也能防止Altera FPGA設(shè)計(jì)被克隆。只有在FPGA和安全存儲(chǔ)器的散列算法計(jì)算結(jié)果相一致時(shí)，用戶設(shè)計(jì)才會(huì)有效。這種安全設(shè)計(jì)可有效保護(hù)FPGA設(shè)計(jì)者的IP”3。

　　同樣，Xilinx也在其應(yīng)用筆記XAPP780中聲明：“該系統(tǒng)的安全性建立在密鑰和安全環(huán)境中加載密鑰的安全性基礎(chǔ)上。整個(gè)參考設(shè)計(jì)，除密鑰外，都滿足得到普遍應(yīng)用的Kerckhoffs原理。應(yīng)用筆記提供的編程和認(rèn)證的簡單接口簡化了防盜版保護(hù)方案的實(shí)施”4 （Flemish語言學(xué)家Auguste Kerckhoffs在其關(guān)于軍事加密領(lǐng)域極具創(chuàng)造性的文章中指出：除了依靠模糊性之外，安全應(yīng)該依靠密鑰的力量。他主張，遭到入侵時(shí)只需要更換密鑰，而不是整個(gè)系統(tǒng)）。

　　結(jié)論

　　只需添加一片類似于DS28E01的低成本芯片并更新FPGA配置碼，即可實(shí)現(xiàn)IP保護(hù)，避免設(shè)計(jì)被盜版。利用1-Wire接口，只需將FPGA的一個(gè)引腳用于安全性設(shè)計(jì)。如果FPGA有更多引腳，則可使用I2C接口的安全存儲(chǔ)器，替代1-Wire設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中還需對(duì)FPGA配置以及嵌入式微控制器的控制軟件進(jìn)行某些修改。

　　可以定購固定密鑰或計(jì)算密鑰及特殊應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)器。然后將預(yù)編程器件僅發(fā)送給OEM，或發(fā)送給經(jīng)過授權(quán)的CM。CM只能生產(chǎn)、提供與預(yù)編程器件相同數(shù)量的產(chǎn)品。

　　附錄A

　　FPGA工藝及相關(guān)事項(xiàng)

　　五家主流FPGA供應(yīng)商—Actel?、Altera、Lattice Semiconductor Corporation?、QuickLogic?和Xilinx—占有將近98%的市場份額。其余2%份額則屬于幾家提供類似FPGA功能的特殊供應(yīng)商。

　　所有這些廠商都采用外包運(yùn)作模式，并依靠***、日本、新加坡或德國的晶圓加工廠來為其生產(chǎn)晶片。所以，他們僅僅具有操作與其工廠相關(guān)的技術(shù)部分的權(quán)限，例如利用SRAM功能或高密度浮柵存儲(chǔ)器陣列的快速邏輯。通過充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)加工流程的作用，F(xiàn)PGA公司能夠保持其制造成本非常低廉。

　　然而，Actel和QuickLogic與其加工廠一起將知識(shí)產(chǎn)權(quán)反熔絲技術(shù)集成在加工流程中。反熔絲技術(shù)具有某些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：良好的安全性、小單元、耐輻射，當(dāng)然還有非易失性。反熔絲技術(shù)存在一個(gè)局限性。與基于閃存的器件不同，一旦配置了單元，將不能對(duì)其進(jìn)行重新配置（正如“熔絲”的字面意思）。另外，盡管反熔絲工藝比基于SRAM的FPGA更復(fù)雜，但是其單元更小，導(dǎo)致具有邏輯能力的芯片更小，成本更低。

　　很長時(shí)間以來，SRAM和閃存技術(shù)是相互排斥的；他們不能被方便地集成到一個(gè)芯片中。但是這種情況已經(jīng)改變了，由于最近市場需求推動(dòng)了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。小型競爭者（Actel、Lattice Semiconductor和QuickLogic）現(xiàn)在提供基于閃存的單芯片F(xiàn)PGA （分別為ProASIC、Lattice?XP2和PolarPro）。

　　例如，從2004年開始，Altera已經(jīng)開始提供基于閃存的 CPLD （MAXII），但是目前沒有將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于FPGA。Xilinx早在2007年就推出了基于閃存的FPGA的Spartan-3AN生產(chǎn)線，在單個(gè)封裝中安裝兩個(gè)芯片（FPGA和閃存）。但是Xilinx沒有單片的基于閃存的FPGA產(chǎn)品5。集成閃存的能力促進(jìn)了通過基于SRAM的FPGA使用外部配置內(nèi)存的IP安全性的改良。通過在一個(gè)芯片上進(jìn)行集成，使剽竊存儲(chǔ)器和可配置邏輯陣列之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更加困難。

　　滿足所有這些安全要求的一個(gè)方法是在FPGA和安全存儲(chǔ)器之間采用質(zhì)詢-響應(yīng)數(shù)據(jù)交換（認(rèn)證）。安全存儲(chǔ)器芯片是十九世紀(jì)80年代后期的發(fā)明。它們首先廣泛應(yīng)用與付費(fèi)電話卡，然后在十九世紀(jì)90年代應(yīng)用于銀行卡；如今它們是GSM手機(jī)中的重要部分（即SIM卡）。安全芯片卡和主系統(tǒng)之間的常用通信標(biāo)準(zhǔn)是I2C串行總線。

　　無論是為銀行還是電話應(yīng)用量身定制，安全存儲(chǔ)器用于通用目的都不可行。2000年當(dāng)Dallas Semiconductor （現(xiàn)在的Maxim Integrated Products）推出融合SHA-1散列算法的器件時(shí)，這種狀況才得以改變。繼第一代DS2432后又推出了增強(qiáng)型DS28E01。這些器件采用1-Wire接口，用于通信和供電。2007年推出的DS28CN01使用I2C接口，其他方面與DS28E01類似。

　　由于加工廠通常具有FPGA設(shè)計(jì)的詳盡知識(shí)，另一個(gè)需要考慮的關(guān)于IP安全性的方面是加工廠的誠信。為了防止所有權(quán)信息被非法竊取，信任或嚴(yán)格控制和監(jiān)督是必需的。國內(nèi)的加工廠比國外的加工廠要容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。盡管如此，迄今為止，主要的加工廠在安全設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上表現(xiàn)了優(yōu)秀的誠信品質(zhì)。