基于激光注入的FPGA加密防护设计验证研究

doi:10.12263/DZXB.20210119

电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (10): 2381-2386.DOI: 10.12263/DZXB.20210119

基于激光注入的FPGA加密防护设计验证研究

蔡莹¹^,², 朱翔¹^,²(), 王舰²^,³, 李昊远²^,³, 韩建伟¹^,²

^1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.中国科学院软件研究所，北京 100190

收稿日期:2021-01-18 修回日期:2021-08-29 出版日期:2022-10-25
- 通讯作者:
- 朱翔
- 作者简介:
- 蔡莹女，1997年12月出生，河南平顶山人.2019年获中国地质大学（武汉）自动化专业学士学位及华中科技大学经济学双学士学位.现为中国科学院国家空间科学中心硕士研究生.主要从事芯片故障注入、硬件木马等方面的研究工作.E-mail: fromcy@163.com
  朱翔（通讯作者）男，1985年3月出生，安徽合肥人.2005年和2008年在中国科学技术大学分别获得学士和硕士学位，2020年在中国科学院大学获博士学位.现为中国科学院国家空间科学中心高级工程师，硕士生导师.主要从事高可靠电子系统设计、芯片故障注入技术、抗辐射技术等方面的研究工作.
- 基金资助:
- 国防科工局技术基础科研项目 (JSHS2019203B001); 中国科学院青促会研究奖励基金 (2018179)

Verification of FPGA Encryption Protection Design Based on Laser Injection

CAI Ying¹^,², ZHU Xiang¹^,²(), WANG Jian²^,³, LI Hao-yuan²^,³, HAN Jian-wei¹^,²

^1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.Institute of Software Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2021-01-18 Revised:2021-08-29 Online:2022-10-25 Published:2022-10-11
- Corresponding author:
- ZHU Xiang

摘要/Abstract

摘要：

激光注入技术是评估安全芯片抗故障攻击能力的重要手段之一.本文详细分析了激光故障注入的原理及激光诱发现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）触发器结构故障的机制，提出了一种FPGA激光注入评测方法.分别采用随机和定点故障注入的方法，对基于FPGA实现的SM2算法的基点等数据进行了篡改，验证了防护设计的有效性.针对28 nm工艺的FPGA，激光能够实现指定字节的单比特故障注入，同时也能实现快速的高覆盖率随机故障注入，是一种精确和高效的安全芯片评测手段.

关键词: 激光, FPGA, 故障注入, SM2, 防护验证

Abstract:

Laser injection technology is one of the essential methods to evaluate the ability of security chips to resist failure attacks. In this paper, the principle of laser fault injection and the mechanism of laser-induced structural failure of FPGA(Fiele Programmable Gate Array) trigger are analyzed in detail, and an evaluation method of FPGA laser injection is proposed. The random and fixed-point fault injection method are adopted respectively to tamper with the basic point data of the SM2 algorithm based on FPGA, and the effectiveness of the protection design is verified. Aiming at the FPGA of 28nm process, the laser can achieve the single bit fault injection of specified byte and perform the fast random fault injection of high coverage rate. It is an accurate and efficient means of safety chip evaluation.

Key words: laser, FPGA, fault injection, SM2, protection verification

中图分类号:

TP309

蔡莹, 朱翔, 王舰, 李昊远, 韩建伟. 基于激光注入的FPGA加密防护设计验证研究[J]. 电子学报, 2022, 50(10): 2381-2386.

CAI Ying, ZHU Xiang, WANG Jian, LI Hao-yuan, HAN Jian-wei. Verification of FPGA Encryption Protection Design Based on Laser Injection[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(10): 2381-2386.

图/表 16

参考文献 17

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防护点	防护内容
1	标量乘开始阶段对于基点G的校验
2	标量乘中对于生成的随机点的校验
3	标量乘中使用基点G计算出T₀,T₁,T₂后,对基点G进行校验
4	标量乘中f轮迭代完成后,对T₂-T₁是否为G进行校验
5	标量乘中计算完成后,验证T₀+T₁是否为曲线上的点

防护点	防护内容
1	标量乘开始阶段对于基点G的校验
2	标量乘中对于生成的随机点的校验
3	标量乘中使用基点G计算出T₀,T₁,T₂后,对基点G进行校验
4	标量乘中f轮迭代完成后,对T₂-T₁是否为G进行校验
5	标量乘中计算完成后,验证T₀+T₁是否为曲线上的点

校验点	实验数据
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校验点	实验数据
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5	正确值	50180002924d225bbb647dcb6f24b22076d666224a0a359aa66d093006f44f61
5	故障值	545c801f9247327bf9ecf9f1ffa73f19bcd76f32da7e35afde7d39b8b6f25fe5

实验	故障位数	故障覆盖率	平均故障注入位数
防护点1	90	35.2%	66.4
防护点2	47	18.4%
防护点3	64	25%
防护点4	61	23.8%
防护点5	70	27.3%

基于激光注入的FPGA加密防护设计验证研究

Verification of FPGA Encryption Protection Design Based on Laser Injection

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图/表 16

参考文献 17

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