芯片安全導論

董晨，福州大學電腦與大數據學院信息安全與網絡工程系副主任。主要從事集成電路、生物芯片、人工智能芯片的設計及安全研究，同時也關註多機器人系統、人工智能及安全、大數據等方面的研究。

 

劉西蒙，福州大學研究員、博士生導師，福州大學數學與電腦科學學院院長助理，系統信息安全福建省高校重點實驗室主任，福建省知聯會理事，福建省“閩江學者”特聘教授，福州大學“旗山學者”（海外計劃），福建省引進高層次人才(C類)，IEEE/ACM/CCF會員。主要從事密態計算、密態機器學習、大數據隱私保護、區塊鏈，可搜索加密、公鑰密碼學應用等方面的研究工作；先後主持和參與國家自然科學基金項目5項(含重點項目一項)；已在國內外期刊、會議上發表SCI/EI學術論文250餘篇，Google被引3300餘次；申請國家發明專利4項。

 

郭文忠，福州大學教授、博士生導師，CCF高級會員，ACM會員，數學與電腦科學學院院長助理兼信息安全與網絡工程系主任，福建省網絡計算與智能信息處理重點實驗室主任，福州大學新一代網絡技術研究所所長，福建省“網絡計算與網絡內容分析”高校創新團隊方向帶頭人，兼任福建省人工智能學會理事、副秘書長，中國電腦學會青年電腦科技論壇廈門分論壇學術委員。福建省傑出青年科學基金獲得者。 主要從事計算智能的基礎理論研究及其在電腦網絡中的應用研究。近年來，主持包括國家自然科學基金在內的近10項科研項目，參與包括國家自然科學基金、國家科技部產學研項目以及國家863計劃子課題等在內的20多項科研項目，研究成果得到國內外同行專家的高度評價，獲2013年福建省科學技術進步二等獎、2008年福建省科學技術進步三等獎和福州大學高等教育教學成果一等獎各1項，並申請發明專利8項，獲授權軟件著作權6項。在國內外學術期刊發表學術論文180多篇，在國際會議上發表學術論文50多篇，其中SCI收錄20篇，EI收錄71篇。

第 1章 集成電路基礎 1

1.1 集成電路製作過程 1

1.1.1 集成電路設計 1

1.1.2 集成電路製造 16

1.1.3 集成電路封測 22

1.2 集成電路類型 24

1.2.1 現場可編程門陣列 25

1.2.2 專用集成電路 27

1.2.3 片上系統 28

1.2.4 片上網絡 29

1.2.5 射頻集成電路 31

1.3 集成電路工作環境 34

1.3.1 高溫環境 34

1.3.2 低溫環境 35

1.3.3 海洋環境 35

1.3.4 太空環境 36

參考文獻 36

第 2章 集成電路安全風險 38

2.1 集成電路中的硬件木馬 38

2.1.1 集成電路硬件木馬簡介 39

2.1.2 集成電路硬件木馬結構 40

2.2 硬件木馬檢測技術 41

2.2.1 側通道分析 42

2.2.2 邏輯檢測 58

2.2.3 靜態檢測 62

2.2.4 逆向工程 75

參考文獻 83

第3章 集成電路知識產權保護 85

3.1 知識產權核 85

3.1.1 知識產權核結構 85

3.1.2 知識產權核分類 85

3.1.3 知識產權核的應用 86

3.2 基於物理結構的保護 93

3.2.1 物理不可克隆函數 94

3.2.2 空白填充 97

3.2.3 電路偽裝 98

3.2.4 分割生產 101

3.3 基於邏輯功能的保護法 104

參考文獻 107

第4章 集成電路可靠性問題 110

4.1 設計環節上的可靠性問題 110

4.1.1 靜電放電 111

4.1.2 集成電路互連引線電遷移 115

4.1.3 電磁輻射乾擾 117

4.2 製造環節上的可靠性問題 117

4.2.1 製造工藝引起的可靠性問題 117

4.2.2 製造環境引起的可靠性問題 118

4.2.3 製造污染引起的可靠性問題 118

4.3 封裝環節的可靠性問題 120

4.3.1 封裝缺陷問題 121

4.3.2 封裝失效問題 123

4.4 測試環節的可靠性問題 123

4.4.1 可測性設計內容 124

4.4.2 可測性設計優缺點 127

4.5 使用壽命引起的可靠性問題 127

4.5.1 負偏壓溫度不穩定性問題 128

4.5.2 熱載流子註入問題 128

參考文獻 129

第5章 生物芯片基礎 130

5.1 生物芯片的結構 130

5.1.1 數字微流控生物芯片 131

5.1.2 微電極點陣列 132

5.1.3 連續微流控生物芯片 133

5.1.4 完全可編程閥陣列 135

5.2 生物芯片製作過程 138

5.2.1 DMFB設計流程 138

5.2.2 MEDA合成流程 141

5.2.3 CMFB合成流程 142

5.2.4 FPVA設計流程 145

5.3 生物芯片工作原理 145

5.3.1 介質電潤濕 146

5.3.2 基於CMFB的控制原理 148

5.4 生物芯片的應用 151

5.4.1 生化檢測 153

5.4.2 免疫學檢測 154

5.4.3 分子檢測 155

5.4.4 其他檢測方法 156

參考文獻 156

第6章 生物芯片安全風險 160

6.1 攻擊手段 160

6.1.1 影子攻擊 160

6.1.2 篡改樣品濃度攻擊與篡改校準曲線攻擊 162

6.1.3 參數攻擊與污染攻擊 165

6.1.4 轉置攻擊、隧道攻擊和老化攻擊 166

6.1.5 逆向工程攻擊與硬件木馬攻擊 168

6.2 威脅效果 179

6.2.1 拒絕服務 179

6.2.2 功能篡改 180

6.2.3 試劑污染 180

6.2.4 設計盜版 180

6.2.5 讀數偽造 180

6.2.6 信息泄露 180

6.2.7 惡意老化 181

參考文獻 181

第7章 生物芯片安全技術 182

7.1 隨機檢測點技術 182

7.1.1 均勻概率採樣 183

7.1.2 偏移概率函數 183

7.1.3 靜態放置 184

7.1.4 靜態檢測點的時間隨機化 185

7.1.5 局部化檢測方法 185

7.2 知識產權保護技術 186

7.2.1 偽裝技術 186

7.2.2 混淆 187

7.2.3 基於微流體的多路選擇器 189

7.2.4 新的物理不可克隆函數 190

7.2.5 全面的安全系統 193

7.2.6 鎖定生化協議 196

7.2.7 水印技術 198

7.2.8 MEDA的保護技術 199

7.3 未來研究的趨勢與挑戰 201

7.3.1 新材料 202

7.3.2 新架構 203

7.3.3 新環境 203

參考文獻 204

第8章 生物芯片可靠性問題 207

8.1 設計與製造缺陷 207

8.1.1 DMFB的典型缺陷 207

8.1.2 CMFB的典型缺陷 208

8.1.3 MEDA的典型缺陷 209

8.1.4 FPVA的典型缺陷 210

8.2 故障恢復 210

8.2.1 DMFB的故障恢復 210

8.2.2 CMFB的故障恢復 211

8.2.3 MEDA的故障恢復 212

8.2.4 FPVA的故障恢復 213

8.3 錯誤恢復 214

8.3.1 DMFB的錯誤恢復 214

8.3.2 CMFB的錯誤恢復 216

8.3.3 MEDA的錯誤恢復 216

8.3.4 FPVA的錯誤恢復 219

參考文獻 221

第9章 人工智能芯片基礎 223

9.1 人工智能芯片結構 223

9.1.1 基於GPU結構 223

9.1.2 基於FPGA結構 224

9.1.3 基於ASIC結構 225

9.1.4 基於神經擬態結構 225

9.2 人工智能芯片的製作過程 233

9.2.1 設計階段 233

9.2.2 製造階段 234

9.2.3 測試階段 239

9.3 人工智能芯片的工作環境 239

參考文獻 240

第 10章 人工智能芯片安全風險 242

10.1 人工智能芯片硬件木馬介紹 242

10.2 人工智能芯片硬件木馬結構 244

10.2.1 基於非易失性存儲器的硬件木馬 245

10.2.2 基於RRAM的神經形態系統的硬件木馬 250

10.2.3 基於傳統存儲器的硬件木馬 250

參考文獻 253

第 11章 人工智能芯片硬件木馬檢測技術 255

11.1 基於非易失性存儲器的硬件木馬檢測技術 255

11.2 神經形態硬件木馬檢測技術 256

11.3 神經網絡木馬檢測技術 258

參考文獻 259

第 12章 人工智能芯片知識產權保護 260

12.1 知識產權核結構 260

12.2 基於邏輯的混合加密保護法 265

參考文獻 268