解讀FPGA設計的安全性

　　與開發(fā)成本很高的ASIC相比，FPGA可重復編程的性能正受到系統(tǒng)設計者的青睞。此外， FPGA的性能和功能也越來越強大，包括32位軟處理器、SERDES、 DSP塊和高性能的接口?，F(xiàn)在的低成本FPGA甚至可以滿足大批量的應用。設計人員采用FPGA能夠快速開發(fā)產(chǎn)品，以應對產(chǎn)品快速上市（市場要求縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間）和遠程更新的需求。

　　但是，把器件生產(chǎn)、現(xiàn)場更新和固件遠程重構的工作外包可能會導致FPGA被復制、克隆或盜版。這對某些企業(yè)是個嚴重的問題，因為有些算法對企業(yè)保持競爭優(yōu)勢是必不可少的，而外包可能使這些算法被別人利用。因此，考慮FPGA設計的安全性是一件非常重要的事。

　　FPGA有兩種類型 ：基于SRAM、需要用外部引導器件配置的易失FPGA，以及將配置保存在內(nèi)存中因而不需要外部引導器件的非易失FPGA?；?SRAM的FPGA是易失器件。如果切斷電源，配置即被刪除，必須對器件進行重新配置，然后器件才能工作。這類器件可以用處理器或使用SPI或并行閃存通過JTAG端口編程。就安全性而言，它們是很脆弱的。一旦系統(tǒng)上電，盜版者就能輕而易舉地獲取FPGA的位流。 Flash和反熔絲FPGA是非易失性的器件，它們上電后即可編程，無需使用任何外部存儲器。這些非易失器件擁有最高級別的安全性。但是，反熔絲FPGA受到兩個方面的制約： 1 ）它們不能再次編程。2 ）它們的性能和內(nèi)存容量有限。而Flash FPGA和SRAM FPGA是可以重復編程的。

　　盜版行為分為幾種類型：“克隆”復制系統(tǒng)元件的行為，甚至不必知道內(nèi)部的邏輯。通過攔截FPGA的位流和復制配置，可以輕松地克隆一個低成本SRAM FPGA?！澳嫦蚬こ獭毙枰斫釬PGA的邏輯功能，以便進行修改以滿足盜版者的需要。盜版者可以分析無保護的位流以復制原先的設計，或解剖器件分析其內(nèi)容。還有一個被廣泛使用的盜版手段是“生產(chǎn)超過客戶訂購量的系統(tǒng)”，然后向市場出售多余的系統(tǒng)，而專利持有者卻無法從中取得收益，沒有任何方法可以阻止不擇手段的分包商這樣做。最后一種盜版方法是“盜竊服務”，盜版者通過破解系統(tǒng)的安全設置來獲得特定的服務，如收看衛(wèi)星電視節(jié)目。

　　打擊盜版可以采用多種安全措施，最簡單的方法的是使用一個保密位，防止FPGA的配置數(shù)據(jù)被截獲。有了這個保密位，盜版者如果試圖讀取配置數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)將全部為零。所有的FPGA都有這種類型的保護。然而，如果引導文件位于器件的外部，相對就比較容易復制配置，標準的SRAM FPGA就是這種情況 。如果配置數(shù)據(jù)是在器件內(nèi)部，如非易失FPGA ，保密位就會有很好的保密效果。

　　與反熔絲FPGA不同 ，SRAM FPGA和Flash FPGA是可重復編程的，它們允許用戶調整設計或賦予FPGA一個全新的功能。此外，現(xiàn)在甚至可以遠程修改FPGA配置文件，從而修改系統(tǒng)。雖然重構對某些應用來說是個優(yōu)點，但它也可能成為一個安全隱患，因為盜版者可能攔截并獲取新的碼流。不過這可以通過在傳輸時保護位流來解決。

　　雖然Flash FPGA比SRAM FPGA更安全 ，它們也有缺點。它們的密度和存儲容量有限，功能和I/O的速度也有限。

　　針對這些缺點，萊迪思半導體公司已經(jīng)開發(fā)出一種創(chuàng)新的技術，它結合了以下兩種技術的優(yōu)點：

　　* 性能和存儲器容量較大的低成本SRAM

　　* 可以內(nèi)部存儲重構數(shù)據(jù)的Flash

　　萊迪思獨特的flexiFLASH技術，將SRAM和Flash整合在同一個FPGA中，可以同時實現(xiàn)以下幾個方面的優(yōu)點：

　　* 位流配置

　　* 以最短的系統(tǒng)中斷時間進行遠程重新配置

　　* 數(shù)據(jù)保護和器件加鎖

　　復雜系統(tǒng)中的設計安全性

　　工程師正面臨著構建日益復雜的系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

　　圖1展示了一個FPGA與微處理器相連的系統(tǒng) 。微處理器通過一個外部PHY和一個集成在FPGA內(nèi)的MAC 與以太網(wǎng)連接。與競爭者的產(chǎn)品不同，這個微處理器中還包含用戶邏輯。 FPGA通過一個Flash來配置。Flash和RAM中包含有微處理器的程序和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)需要更新，就通過以太網(wǎng)來發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保護設計， FPGA數(shù)據(jù)和位流都經(jīng)過了加密。但是，發(fā)送到微處理器的數(shù)據(jù)和指令未加擾，因此盜版者能夠查看此數(shù)據(jù)并加以復制。一種可能的解決辦法是在FPGA內(nèi)實現(xiàn)軟微處理器，它可以訪問FPGA的內(nèi)部存儲器組，而從外部卻無法看到存儲器組。這些存儲器組可以用來存儲重要的算法和數(shù)據(jù)。

圖1 FPGA與微處理器相連的系統(tǒng)

　　圖2展示了同一個設計，但處理器集成在FPGA之中。圖2中采用的軟微處理器是LatticeMico32 。設計師構建了解擾器，因此加擾是機密的。使用解擾器允許加密的指令存儲在外部存儲器。為了加密位流，萊迪思為幾款FPGA提供了128位AES密鑰。

圖2 處理器集成在FPGA之中