[论文解读] A Novel Interconnect Camouflaging Technique using Transistor Threshold Voltage

Jae-Won Jang, Swaroop Ghosh|arXiv (Cornell University)|May 7, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的互连隐藏技术，利用晶体管阈值电压来隐藏互连连接性，使逆向工程变得极为困难。通过采用由阈值电压定义的传输管多路复用器（mux），该方法在极低的面积、延迟和功耗开销下实现了高安全性，将逆向工程的工作量最多减少33%，同时保持正常工作和可靠性。

ABSTRACT

Semiconductor supply chain is increasingly getting exposed to variety of security attacks such as Trojan insertion, cloning, counterfeiting, reverse engineering (RE) and piracy of Intellectual Property (IP) due to involvement of untrusted parties. Camouflaging of gates has been proposed to hide the functionality of gates. However, gate camouflaging is associated with significant area, power and delay overhead. In this paper, we propose camouflaging of interconnects using multiplexers (muxes) to protect the IP. A transistor threshold voltage-defined pass transistor mux is proposed to prevent its reverse engineering since transistor threshold voltage is opaque to the adversary. The proposed mux with more than one input, hides the original connectivity of the net. The camouflaged design operates at nominal voltage and obeys conventional reliability limits. A small fraction of nets can be camouflaged to increase the RE effort extremely high while keeping the overhead low. We propose controllability, observability and random net selection strategy for camouflaging. Simulation results indicate 15-33% area, 25-44% delay and 14-29% power overhead when 5-15% nets are camouflaged using the proposed 2:1 mux. By increasing the mux size to 4:1, 8:1, and 16:1, the RE effort can be further improved with small area, delay, and power penalty.

研究动机与目标

• 应对未受信任的半导体供应链中日益严重的知识产权盗版、假冒和逆向工程威胁。
• 克服门级隐藏技术带来的高面积、功耗和延迟开销的局限性。
• 开发一种低开销的互连隐藏方法，同时保持电路功能和可靠性。
• 通过增加逆向工程的难度，实现对知识产权的有效保护。
• 通过在标称电压下运行并遵守传统可靠性限制，确保与标准设计流程的兼容性。

提出的方法

• 提出一种由晶体管阈值电压定义的传输管多路复用器（mux），用于隐藏互连。
• 使用具有多个输入的多路复用器，以使攻击者无法识别原始网络连接。
• 利用晶体管阈值电压的不可见性，防止逆向工程，因为其难以测量或提取。
• 采用可控制性和可观测性策略，选择用于隐藏的网络。
• 应用随机网络选择策略，进一步增加逆向工程的复杂性。
• 使用2:1、4:1、8:1和16:1多路复用器，以提高隐藏效率和安全性，同时开销逐步增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用阈值电压定义的传输管实现互连隐藏，能否有效提高逆向工程的难度？
• RQ2 与门级隐藏技术相比，该方法在面积、延迟和功耗开销方面表现如何？
• RQ3 在扩展多路复用器尺寸时，隐藏强度与硬件开销之间的权衡关系如何？
• RQ4 该技术在标准工艺条件下能否保持标称电压下的正常运行和可靠性？
• RQ5 结合可控制性、可观测性和随机网络选择策略，在最大化隐藏安全性方面效果如何？

主要发现

• 使用2:1多路复用器隐藏5%–15%的网络，导致15%–33%的面积开销、25%–44%的延迟开销和14%–29%的功耗开销。
• 将多路复用器尺寸增加到4:1、8:1和16:1后，逆向工程的抗性进一步提升，而开销仅略有增加。
• 所提方法在标称电压下运行，并符合传统可靠性约束。
• 使用阈值电压定义的传输管可确保底层晶体管参数对攻击者保持不可见。
• 可控制性、可观测性和随机网络选择策略的结合，显著增加了逆向工程的复杂性。
• 仿真结果证实，该技术在对性能和资源使用影响极小的情况下，实现了强大的安全性。