[論文レビュー] Threshold Voltage-Defined Switches for Programmable Gates

Anirudh Iyengar, Swaroop Ghosh|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2015

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 11被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、論理的および物理的に論理をかくまhideすることで、信頼できない半導体サプライチェーンにおける逆設計およびIP盗難から抵抗性を持つ、しきい値電圧で定義されたスイッチを提案する。トランジスタのしきい値電圧におけるプロセスばらつきを活用することで、標準の電源電圧で安定して動作し、標準の信頼性制約を満たしたまま、1つのゲートが複数の論理タイプ（例：NAND、XOR、BUF）として機能可能となる設計を実現する。

ABSTRACT

Semiconductor supply chain is increasingly getting exposed to variety of security attacks such as Trojan insertion, cloning, counterfeiting, reverse engineering (RE), piracy of Intellectual Property (IP) or Integrated Circuit (IC) and side-channel analysis due to involvement of untrusted parties. In this paper, we propose transistor threshold voltage-defined switches to camouflage the logic gate both logically and physically to resist against RE and IP piracy. The proposed gate can function as NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, INV and BUF robustly using threshold-defined switches. The camouflaged design operates at nominal voltage and obeys conventional reliability limits. The proposed gate can also be used to personalize the design during manufacturing.

研究の動機と目的

• 半導体サプライチェーンにおける、IP盗難、クローン生成、逆設計などの増大する脅威に対処すること。
• 論理的および物理的に論理をかくまhideするハードウェアオブスカリティ技術を開発し、逆設計から抵抗すること。
• しきい値電圧で定義されたスイッチを用いて、1つのゲートが複数の論理タイプ（例：NAND、XOR、OR）として機能可能となるようにすること。
• 標準の製造プロセスおよび信頼性制限と互換性を保つこと。
• セキュリティやパフォーマンスを損なわせることなく、プロセス中に設計のカスタマイズを可能とすること。

提案手法

• トランジスタのしきい値電圧におけるプロセス由来のばらつきを活用してスイッチ動作を定義し、追加の制御論理の必要性を排除する。
• しきい値電圧で定義されたトランジスタを用いた再構成可能ゲートを設計し、複数の論理関数をプログラミング可能に実装できるようにする。
• 1つのゲート構造を用い、可変なしきい値電圧により8種類の異なる論理関数（NAND、AND、NOR、OR、XOR、XNOR、INV、BUF）をエミュレートする。
• 標準の電源電圧で動作し、従来の信頼性制限内に収まるように保証し、標準IC設計フローとの互換性を確保する。
• 標準CMOS製造プロセスにスイッチを統合することで、製造可能性およびスケーラビリティを維持する。
• 設計のカスタマイズおよびオブスカリティのための物理的一時プログラマブル（OTP）メカニズムとして、しきい値電圧のばらつきを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランジスタのしきい値電圧のばらつきのみを用いて、論理ゲートを機能的に再構成可能にする方法は何か？
• RQ2 しきい値電圧で定義されたスイッチは、逆設計およびIP盗難から抵抗するのに十分なオブスカリティを提供できるか？
• RQ3 しきい値電圧で定義されたスイッチを用いて、1つのゲート内で実装可能な論理関数の最大数は何か？
• RQ4 提案手法は、標準の動作条件下でも信頼性およびパフォーマンスを維持できるか？
• RQ5 この設計は、IC製造中のオブスカリティおよびカスタマイズの両方の目的に使用可能か？

主な発見

• 提案されたゲートは、しきい値電圧で定義されたスイッチのみを用いて、NAND、AND、NOR、OR、XOR、XNOR、INV、BUFの8種類の明確に異なる論理関数を堅牢に実装可能である。
• 設計は標準の電源電圧で信頼性高く動作し、従来の信頼性制約を満たしており、標準IC製造プロセスとの互換性が保証されている。
• プロセス由来のしきい値電圧のばらつきを活用することで、物理的および論理的かくまhideを実現し、逆設計を著しく困難にする。
• しきい値電圧のプログラミングを通じて、製造中に設計のカスタマイズが可能となり、セキュリティおよびカスタマイズ性が向上する。
• 追加の制御ラインや複雑な回路構成を必要としないため、面積および消費電力のオーバーヘッドが低減される。
• この手法は標準CMOSプロセスと互換性があり、スケーラビリティおよび既存の設計フローへの統合を支援する。