一種電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片的電源規(guī)劃

摘要：為了對(duì)所開(kāi)發(fā)的電子產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)，采用ASIC的方法設(shè)計(jì)基于硬加密技術(shù)的電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片。在后端物理設(shè)計(jì)中，為了使最終的芯片實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化且滿(mǎn)足功耗、時(shí)序等要求，采用預(yù)設(shè)計(jì)的方法對(duì)芯片進(jìn)行功耗預(yù)估與布線擁塞分析。根據(jù)分析結(jié)果提高了芯片利用率，并針對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)中存在的電壓降(IR Drop)違規(guī)進(jìn)行了詳細(xì)的電源規(guī)劃，包括全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接、電源環(huán)和電源條的設(shè)計(jì)，最終滿(mǎn)足了功耗要求，實(shí)現(xiàn)了時(shí)序收斂以及面積優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)認(rèn)證；電源規(guī)劃；功耗分析；電壓降

0 引言
為了防止所研發(fā)的電子產(chǎn)品被非法克隆，一種有效的方法是采用硬加密技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)。硬加密技術(shù)是指依賴(lài)特定的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)，主機(jī)需要訪問(wèn)相應(yīng)的硬件進(jìn)行認(rèn)證后才能正常工作，具有抗解密強(qiáng)度高，穩(wěn)定性和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。
本文所研究的電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片是基于硬加密技術(shù)采用專(zhuān)用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于ASIC上有特殊算法，PCB和一些硬件可能被復(fù)制，但是無(wú)法復(fù)制ASIC的加密數(shù)據(jù)，保密性更強(qiáng)。該芯片采用RSA加密算法，它是非對(duì)稱(chēng)密鑰密碼體制的代表，其安全性在于找到兩個(gè)大素?cái)?shù)p和q比較容易；但目前沒(méi)有有效的方法從p和q的乘積N中分解出p和q。有專(zhuān)家建議，普通公司使用1 024位的密鑰就可以保證資料的安全性，因此該系統(tǒng)認(rèn)證芯片采用密鑰為1 024位的RSA加密算法。
該電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片采用SMIC 0．18μm 6層金屬工藝，在SoC Eneounter平臺(tái)上進(jìn)行物理設(shè)計(jì)。為了了解整個(gè)芯片的布線擁塞程度和功耗的大概情況，進(jìn)行正式設(shè)計(jì)之前，對(duì)該芯片進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)；通過(guò)預(yù)設(shè)計(jì)的結(jié)果分析芯片的布線擁塞情況，并對(duì)布局布線后的功耗進(jìn)行預(yù)估。在分析預(yù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題對(duì)芯片進(jìn)行詳細(xì)的電源規(guī)劃，為整個(gè)芯片設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的供電網(wǎng)絡(luò)，使最終的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化，并且滿(mǎn)足功耗、時(shí)序等要求。

1 功耗預(yù)估
預(yù)設(shè)計(jì)采用75％的利用率，對(duì)該電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片進(jìn)行了粗略的布圖規(guī)劃，僅設(shè)計(jì)了寬度為10 μm的電源環(huán)。為了使芯片功耗的分析結(jié)果更接近實(shí)際，對(duì)該芯片進(jìn)行了布局、時(shí)鐘樹(shù)綜合和詳細(xì)布線等步驟。在時(shí)序收斂的前提下，進(jìn)行功耗分析，工作電壓VDD為1．8 V，得到芯片的總功耗為115．41 mW，包括開(kāi)關(guān)功耗(Switehing Power)、內(nèi)部功耗(Internal Power)和泄露功耗(Leakage Power)。但是芯片中存在IRDrop違規(guī)(即芯片中的電壓降超過(guò)了5％VDD)，如圖1所示，左上角的對(duì)話框中列出了存在IR Drop違規(guī)的地方，具體位置在版圖中的深色區(qū)域。一般情況下，5％的電壓降會(huì)增大10％～15％的線延遲，會(huì)產(chǎn)生時(shí)序違規(guī)，使芯片處于不正常的工作狀態(tài)，因此，需要在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行詳細(xì)的電源規(guī)劃。

采用75％的利用率進(jìn)行詳細(xì)布線后發(fā)現(xiàn)，版圖中的布線擁塞情況并不嚴(yán)重，Meta15和Meta16的布線資源均比較寬裕。一些研究表明，芯片成本與芯片面積的4次方成正比。為了降低成本，應(yīng)盡可能減小芯片面積。經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試之后，確定芯片的利用率為80％，芯片內(nèi)核(Core)面積約為2．474 mm2，總面積約為3．5 mm2，比預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)減小了約0．12 mm2。

2 電源規(guī)劃
在該電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片的預(yù)設(shè)計(jì)階段，存在IRDrop的違規(guī)，因此必須通過(guò)電源規(guī)劃來(lái)設(shè)計(jì)芯片的供電網(wǎng)絡(luò)，以消除IR Drop違規(guī)。電源規(guī)劃的總體步驟包括全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接、電源／地Pad規(guī)劃、電源環(huán)的設(shè)計(jì)和電源條的設(shè)計(jì)。