解读FPGA设计的安全性

2009-04-10 13:34:00来源: 莱迪思半导体公司

与开发成本很高的ASIC相比,FPGA可重复编程的性能正受到系统设计者的青睐。此外, FPGA的性能和功能也越来越强大,包括32位软处理器、SERDES、 DSP块和高性能的接口。现在的低成本FPGA甚至可以满足大批量的应用。设计人员采用FPGA能够快速开发产品,以应对产品快速上市(市场要求缩短产品的开发时间)和远程更新的需求。

但是,把器件生产、现场更新和固件远程重构的工作外包可能会导致FPGA被复制、克隆或盗版。这对某些企业是个严重的问题,因为有些算法对企业保持竞争优势是必不可少的,而外包可能使这些算法被别人利用。因此,考虑FPGA设计的安全性是一件非常重要的事。

FPGA有两种类型 :基于SRAM、需要用外部引导器件配置的易失FPGA,以及将配置保存在内存中因而不需要外部引导器件的非易失FPGA。基于 SRAM的FPGA是易失器件。如果切断电源,配置即被删除,必须对器件进行重新配置,然后器件才能工作。这类器件可以用处理器或使用SPI或并行闪存通过JTAG端口编程。就安全性而言,它们是很脆弱的。一旦系统上电,盗版者就能轻而易举地获取FPGA的位流。 Flash和反熔丝FPGA是非易失性的器件,它们上电后即可编程,无需使用任何外部存储器。这些非易失器件拥有最高级别的安全性。但是,反熔丝FPGA受到两个方面的制约: 1 )它们不能再次编程。2 )它们的性能和内存容量有限。而Flash FPGA和SRAM FPGA是可以重复编程的。

盗版行为分为几种类型:“克隆”复制系统元件的行为,甚至不必知道内部的逻辑。通过拦截FPGA的位流和复制配置,可以轻松地克隆一个低成本SRAM FPGA。“逆向工程”需要理解FPGA的逻辑功能,以便进行修改以满足盗版者的需要。盗版者可以分析无保护的位流以复制原先的设计,或解剖器件分析其内容。还有一个被广泛使用的盗版手段是“生产超过客户订购量的系统”,然后向市场出售多余的系统,而专利持有者却无法从中取得收益,没有任何方法可以阻止不择手段的分包商这样做。最后一种盗版方法是“盗窃服务”,盗版者通过破解系统的安全设置来获得特定的服务,如收看卫星电视节目。

打击盗版可以采用多种安全措施,最简单的方法的是使用一个保密位,防止FPGA的配置数据被截获。有了这个保密位,盗版者如果试图读取配置数据,读出的数据将全部为零。所有的FPGA都有这种类型的保护。然而,如果引导文件位于器件的外部,相对就比较容易复制配置,标准的SRAM FPGA就是这种情况 。如果配置数据是在器件内部,如非易失FPGA ,保密位就会有很好的保密效果。

与反熔丝FPGA不同 ,SRAM FPGA和Flash FPGA是可重复编程的,它们允许用户调整设计或赋予FPGA一个全新的功能。此外,现在甚至可以远程修改FPGA配置文件,从而修改系统。虽然重构对某些应用来说是个优点,但它也可能成为一个安全隐患,因为盗版者可能拦截并获取新的码流。不过这可以通过在传输时保护位流来解决。

虽然Flash FPGA比SRAM FPGA更安全 ,它们也有缺点。它们的密度和存储容量有限,功能和I/O的速度也有限。

针对这些缺点,莱迪思半导体公司已经开发出一种创新的技术,它结合了以下两种技术的优点:

* 性能和存储器容量较大的低成本SRAM

* 可以内部存储重构数据的Flash

莱迪思独特的flexiFLASH技术,将SRAM和Flash整合在同一个FPGA中,可以同时实现以下几个方面的优点:

* 位流配置

* 以最短的系统中断时间进行远程重新配置

* 数据保护和器件加锁

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关键字:FPGA  SRAM  flexiFLASH技术

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0410/article_552.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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