一款防数据残留攻击的安全SRAM全定制设计

发布时间：2020-04-01 00:24

【摘要】：随着集成电路的不断发展以及人们对信息安全越来越重视,安全系统的设计逐渐从软件到硬件发展。静态随机存储器(SRAM)作为一种易失性存储器,在涉及到信息安全的场合中受到了广泛地应用。很多安全系统都以SRAM作为密钥的存储器。但在断开电源后,SRAM的数据会保留一段时间,造成信息被窃取。有实验表明,在-30℃时断开电源的情况下,数据可以保留0.5~2分钟,而且尺寸越小的实验芯片数据残留时间越长。因此针对深亚微米下SRAM数据残留的研究和防数据残留攻击的芯片设计就具有重要的应用价值。本文首先对SRAM数据残留机理进行了概述,分析了一些低温下针对数据残留攻击的方法以及相关防御策略。通过分析,提出了一种采用数据擦除策略来防数据残留攻击的方案,即在芯片检测到攻击时,通过特殊电路擦除存储单元数据。结合该方案,针对数据残留攻击的特性,设计并实现了一个带有数据擦除晶体管的读写分开的存储单元结构。并根据该结构存储单元的工作特性,提出了逐行擦除数据的控制方法,设计并实现了一个数据延时擦除控制电路。另外,为增强芯片应用性能,提高稳定性和降低功耗,设计中还对关键电路进行了优化,包括采用多级译码技术、改进灵敏放大器、改进预充控制电路等。最后,从版图设计的角度,对版图布局布线、基本模块设计和版图验证与模拟进行了分析与设计。本文在65nm工艺下,采用全定制设计方法实现了一款防数据残留攻击的16Kb(512×32bit)SRAM芯片,通过模拟和验证,达到了设计目标。该SRAM版图面积为0.079mm~2,用于数据擦除设计的面积占21.27%。在常温下,1GHZ的工作频率时,其数据写入时间为599ps,数据读出时间为698ps,平均功耗为4.74mW。
【图文】：

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图 1. 2 浮栅晶体管截面图2.2 电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器（E2PROM）采用遂穿效应向浮栅注入或移去电避免了EPROM需要取出系统进行擦除的过程。采用了一种修改结TOX(floating-gate tunneling oxide)晶体管的浮栅器件作为可支持点擦除编程器件[3]。其截面图如图 1.3 所示。它与浮栅器件类似，单隔离浮栅漏端的绝缘介质厚度减少到大约 10nm或更少。当把一个大约 10V的电压很薄的绝缘层时，电子通过遂穿机理穿入或穿出浮栅。这一编程方法的在于它的可逆性，即只要把在写过程中所加的电压反过来就可实现擦除PROM相比，适应性更好，能支持多达 10 万次擦写。

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图 1. 2 浮栅晶体管截面图.1.2.2 电擦除可编程只读存储器电擦除可编程只读存储器（E2PROM）采用遂穿效应向浮栅注入或移去电荷而避免了EPROM需要取出系统进行擦除的过程。采用了一种修改结构的LOTOX(floating-gate tunneling oxide)晶体管的浮栅器件作为可支持点擦除过程可编程器件[3]。其截面图如图 1.3 所示。它与浮栅器件类似，，单隔离浮栅与沟和漏端的绝缘介质厚度减少到大约 10nm或更少。当把一个大约 10V的电压加到层很薄的绝缘层时，电子通过遂穿机理穿入或穿出浮栅。这一编程方法的主要点在于它的可逆性，即只要把在写过程中所加的电压反过来就可实现擦除。它EPROM相比，适应性更好，能支持多达 10 万次擦写。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333.8

【参考文献】