芯片级木马检测技术研究综述_王晨旭

櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶DOI：10.3969/j.issn.1003-353x.2012.05.003E-mail：wangchenxu@hit．edu．cn芯片级木马检测技术研究综述王晨旭1，2，姜佩贺2，喻明艳1（1.哈尔滨工业大学微电子中心，哈尔滨150001；2.哈尔滨工业大学（威海）微电子中心，山东威海264209）摘要：集成电路在各个领域都具有极其重要的作用，但是在当今集成电路设计、制造、测试、封装各种环节相分离的产业模式下，用户所使用的芯片可能会被别有用心者植入硬件特洛伊木马电路，这给信息安全领域带来了严重威胁，芯片级硬件木马的检测技术已经成为了芯片安全研究领域的新热点。

首先介绍了硬件木马的概念、危害以及分类方式；然后对硬件木马检测技术国内外有影响的研究成果进行了详细的总结和评述，着重阐述了目前比较有效的旁路分析方法，指出基于功耗指纹分析的硬件木马检测技术是当前最有前途的一种检测方法；最后简要总结了硬件木马的主动防御机制。

关键词：硬件特洛伊木马；信息安全；检测技术；旁路分析；主动防御机制中图分类号：TN302；TN407文献标识码：A文章编号：1003－353X（2012）05－0341－06Survey of Hardware Trojan Horse Detection on ChipWang Chenxu1，2，Jiang Peihe2，Yu Mingyan1（1.Microelectronics Center，Harbin Institute of Technology，Harbin150001，China；2.Microelectronics Center，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai264209，China）Abstract：The integrated circuit（IC）plays an important role in many fields，but the Hardware Trojan Horse（HTH）can be maliciously implanted into ICs by attackers because of separated IC design and fabrication mode．The existence of HTH threatens the information security．HTH detection begins to attract widely attention and comes into a new research field．Firstly，the concept of HTH，its hazards and its classification were described．Then some important researches on HTH detection approach were summarized．The researchers focus on side channel analysis detection，in which the power finger analysis techniques are the promising method to detect HTH．Finally，the proactive defense mechanisms of HTH were also summed up briefly．Key words：Hardware Trojan Horse（HTH）；information security；detection approach；side-channel analysis；proactive defense mechanismsEEACC：2570A0引言随着科学技术的发展，集成电路已经被应用到现代科技的各个领域，因此确保集成电路的安全与可靠变得尤为重要。

美国国防科学委员会、美国参议院、半导体设备与材料学会等相关部门以及期刊《IEEE Spectrum》都曾发布白皮书或研究报告，提出了对集成电路，特别是高性能SoC的安全性和可靠性的担忧［1－4］。

由于集成电路的设计和制造相分离，再加上目前第三方IP核和EDA工具的广泛使用，为攻击者在原有芯片的基础上植入特洛伊木马创造了可能。

潜入的硬件特洛伊木马（Hardware Trojan Horse，HTH）会使集成电路在使用过程中产生极大的安王晨旭等：櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶芯片级木马检测技术研究综述全问题，例如信息泄漏、芯片意外失效等，这严重地威胁到了信息的安全。

因此采取有效的措施预防和检测硬件特洛伊木马（以下简称硬件木马）具有非常重要的意义。

1硬件木马检测的原则硬件木马是指在原有硬件电路的基础上植入的具有恶意功能的冗余电路。

硬件木马在电路中一般处于潜伏状态，只有特定的条件下才能被触发，触发后将执行某种恶意的功能，危害极大［5］。

依据植入硬件木马的方式以及被触发后所执行恶意行为的不同，硬件木马可以按物理特性、触发机制、功能行为三种方式进行分类［6］，如图1所示。

图1硬件特洛伊木马分类Fig.1HardwareTrojan Horse taxonomy由于集成电路的制造工序繁杂，同时集成的规模不断增大，使得硬件木马可以在硬件设计的多个层次被植入［7］，这给硬件木马的检测增加了难度。

具体说来，硬件木马检测困难主要有以下原因：①IP 复用技术是当今系统芯片（SoC ）设计的关键技术，随着IP 复杂度越来越高，在其中植入一个较小的硬件木马电路将具有极强的隐蔽性；②集成电路的特征尺寸越来越小，使得采用逆向工程的方法检测硬件木马电路的成本和难度越来越高；③硬件木马一般处于潜伏状态，只有在极其特定的条件下才会被激活，所以使用常规功能验证手段无法检测硬件木马。

由于不同类型的硬件木马对电路的影响不同，所以选取合适的方法可以提高硬件木马被检出的概率，提高检测效率。

例如，采取疏松分布的硬件木马对电路的局部功耗和漏电流影响不大，但这样的硬件木马会造成连线加长，改变了原有电路的电容分布，进而影响到电路的延迟，所以采用测量延迟的方法对检测这种类型的硬件木马非常有效，而采取测量功耗的方法可能会徒劳无功。

所以必须根据硬件木马的不同类型和不同特征制定出相应的检测策略。

关于硬件木马的检测，国外不少研究人员已经做了大量的工作，并提出了多种检测方案。

在国内，军械工程学院计算机工程系在硬件木马隐蔽性植入以及基于电磁泄漏的硬件木马检测方面开展了研究［8－9］；中国赛宝实验室近年来也开展了硬件木马检测方面的研究。

一个好的检测方法应该遵循以下几个原则［10］：可以应对工艺偏差的影响；对任何类型的硬件木马都适用；非破坏性；检测时间短；检测成本低。

同时为了检测出硬件木马的存在，必须具备以下几个要素［11］：了解常见的硬件木马的类型；建立可信模型，包括RTL 级模型、网表、功耗、路径延迟、温度等；测试和验证策略，包括抽象级别、测试向量生成策略、观测方法；有能力在各个层次对芯片进行验证；有效地评估测试结果———性能、可靠性、覆盖率、鲁棒性。

2硬件木马检测技术如何选取合适的检测方法，对设计者来说是个挑战。

目前国内外比较流行的检测方法主要有物理检测、功能检测、内建自测试（built in self test ，BIST ）、边信道分析（side channel analysis ，SCA ）等。

下面将对每种检测方法的适用范围及其瓶颈进行分析。

2.1基于物理检测的硬件木马检测技术物理检测是一种破坏性的检测。

这种方法首先需要把芯片表面的铸造涂料层去掉，经过反复研磨芯片各层，利用扫描电镜、电子探针等硬件设备对芯片版图进行细致分析，检测提取相应的电路结构，分析判断其中超过功能要求的部分，以便确定是否存在安全隐患［6］。

利用这种检测方法进行检测的时间很长，成本也比较高。

对于集成度较低的集成电路有一定的效果，但随着工艺尺寸的降低以及集成电路规模的不断增大，大部分扫描显微镜的分辨率已经达不到要求，致使这种检测方法不适用于大规模集成电路［7］。

而且由于该方法具有破坏性，所以即使抽样检测的结果显示没有被植入硬件木马，也不能说明同批次的其他芯片是安全可信的。

王晨旭等：櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶芯片级木马检测技术研究综述2.2基于逻辑测试的硬件木马检测技术某些类型的硬件木马会改变电路的功能，这时可以利用逻辑测试的方法进行检测。

这种方法是通过在芯片的输入端口施加一定数量的测试激励，监测芯片的输出是否符合预期结果，以判断硬件木马的存在与否［12］。

然而，由攻击者精心设计的木马，一般可以保证在木马不被触发的情况下，电路的逻辑功能不发生变化。

所以，这种方法的正确检测依赖于测试向量的数量以及木马的触发机理。

使用穷举法可以提高检测概率，但是穷举法特别耗时。

更有甚者，有些木马是依靠状态机激活的，这时依靠随机测试向量几乎不可能触发硬件木马。

2.3基于内建自测试的硬件木马检测技术基于内建自测试的检测技术是指设计人员在设计芯片时就考虑到测试的要求，并在所设计的电路中增加相应的测试模块和接口，以达到测试的目的［13］。

在这种技术中，芯片通常存在两种工作模式———普通模式和透明模式（图2（a））。

普通模式下，芯片完成正常定义的功能。

透明模式用以分析芯片安全性，硬件木马检测人员经由输入端口Key输入密钥，完成向透明模式的转换，通过在输入端口输入不同测试向量，输出端口将产生不同的签名（图2（b））。

通过将该签名与安全标准芯片（genuine chip，指确定不含有硬件木马的芯片，下同）的黄金模型相对比分析，来判断芯片是否被植入硬件木马。

这种方法增加了芯片设计的复杂度，同时使芯片的面积变大，进而导致成本增加。

据文献［13］统计，这种设计方法除增加一部分I/O口外，芯片面积平均增加5%，功耗增加13%，延时增加5%。

2.4基于边信道分析的硬件木马检测技术任何集成电路在工作时都会产生热量、功耗和延迟等边信道信号，图3给出了几种常见的边信道分析技术。

硬件木马电路是芯片内部用来执行某种恶意功能的冗余电路，这部分额外的电路会改变芯片的功耗特性和延时特性等数据信息。

基于边信道信号的测试正是通过对这些数据进行检测分析，进而判断集成电路内部的结构是否发生变化。

图3常见的边信道分析技术Fig.3Side channel analyses used frequently使用这种检测方法的前提是要拥有完全可信的芯片作为黄金参考。