[논문 리뷰] Threshold Voltage-Defined Switches for Programmable Gates

Anirudh Iyengar, Swaroop Ghosh|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 04.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 11인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전압 임계치를 정의하는 스위치를 제안하여 논리적이고 물리적으로 캄ouflage된 프로그래머블 논리 게이트를 만들며, 신뢰할 수 없는 반도체 공급망에서 역설계 및 지적재산권 침해를 저지하는 데 목적이 있다. 트랜지스터의 임계전압에서 발생하는 공정 변동을 활용함으로써, 표준 전압에서 안정적으로 작동하고 표준 신뢰성 제약 조건을 유지하면서도, 단일 게이트가 여러 논리 유형(NAND, XOR, BUF 등)으로 기능할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 반도체 공급망의 위협, 즉 지적재산권 침해, 클로닝, 역설계 문제를 해결하기 위해.
• 논리적이고 물리적으로 캄ouflage된 하드웨어 오블리비션 기법을 개발하여 역설계에 저항하기 위해.
• 전압 임계치 정의 스위치를 사용하여 단일 게이트가 여러 논리 유형(NAND, XOR, OR 등)으로 작동할 수 있도록 하기 위해.
• 표준 제조 공정 및 신뢰성 한계와의 호환성을 유지하기 위해.
• 보안이나 성능에 손상을 주지 않으면서도 제조 과정 중 설계 개인화를 지원하기 위해.

제안 방법

• 트랜지스터의 전압 임계치에서 발생하는 공정 유도 변동을 활용하여 스위치 동작을 정의함으로써 추가 제어 논리가 필요 없도록 한다.
• 전압 임계치 정의 트랜지스터를 사용하여 재구성 가능한 게이트를 설계하여 여러 논리 기능을 프로그래밍 가능하게 한다.
• 단일 게이트 구조를 사용하여 임계전압을 구성 가능하게 하여 NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, INV, BUF 총 8가지의 다른 논리 기능을 모방한다.
• 표준 공급 전압에서 작동하고 기존 신뢰성 제약 조건을 충족함으로써 표준 IC 설계 프로세스와의 호환성을 확보한다.
• 표준 CMOS 제조 공정에 스위치를 통합하여 제조성과 확장성을 유지한다.
• 설계 개인화 및 오브리비션을 위한 물리적 일회성 프로그래밍(OTP) 메커니즘으로서 전압 임계치 변동을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랜지스터의 전압 임계치 변동만을 사용하여 논리 게이트를 기능적으로 재구성 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 전압 임계치 정의 스위치가 역설계 및 지적재산권 침해에 저항하기에 충분한 오브리비션을 제공할 수 있는가?
• RQ3 전압 임계치 정의 스위치를 사용하여 단일 게이트 내에서 최대 몇 가지 논리 기능을 구현할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법이 표준 작동 조건 하에서 신뢰성과 성능을 어떻게 유지하는가?
• RQ5 이 설계는 IC 제조 과정에서 오브리비션과 개인화 모두에 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 게이트는 전압 임계치 정의 스위치만을 사용하여 NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, INV, BUF 총 여덟 가지의 구분되는 논리 기능을 견고하게 실행할 수 있다.
• 설계는 표준 공급 전압에서 안정적으로 작동하며 기존의 신뢰성 제약 조건을 준수하여 표준 IC 제조와의 호환성을 보장한다.
• 공정 유도 전압 임계치 변동을 활용함으로써 물리적이고 논리적인 캄ouflage를 달성하여 역설계를 훨씬 더 어렵게 한다.
• 전압 임계치 프로그래밍을 통해 제조 과정 중 설계 개인화가 가능하여 보안성과 맞춤형 설계를 향상시킨다.
• 추가 제어선이나 복잡한 회로구조가 필요 없어 면적과 전력 오버헤드가 감소한다.
• 이 기법은 표준 CMOS 공정과 호환되어 확장성과 기존 설계 프로세스에의 통합을 지원한다.