[论文解读] Concerted wire lifting: enabling secure and cost-effective split manufacturing

Satwik Patnaik, Johann Knechtel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 19被引用 15

一句话总结

本文提出了一种名为协同布线抬升（Concerted Wire Lifting）的新方法，通过在设计阶段使用定制单元将互连结构战略性地抬升至后端工艺（BEOL）层，以增强分拆制造的安全性并降低成本。该方法在基准测试中实现了0%的网表恢复率——文献中首次——同时保持了较低的PPA开销并降低了商业成本。

ABSTRACT

Here we advance the protection of split manufacturing (SM)-based layouts through the judicious and well-controlled handling of interconnects. Initially, we explore the cost-security trade-offs of SM, which are limiting its adoption. Aiming to resolve this issue, we propose effective and efficient strategies to lift nets to the BEOL. Towards this end, we design custom elevating cells which we also provide to the community. Further, we define and promote a new metric, Percentage of Netlist Recovery (PNR), which can quantify the resilience against gate-level theft of intellectual property (IP) in a manner more meaningful than established metrics. Our extensive experiments show that we outperform the recent protection schemes regarding security. For example, we reduce the correct connection rate to 0% for commonly considered benchmarks, which is a first in the literature. Besides, we induce reasonably low and controllable overheads on power, performance, and area (PPA). At the same time, we also help to lower the commercial cost incurred by SM.

研究动机与目标

• 解决因高成本-安全权衡而导致分拆制造应用受限的问题。
• 开发一种安全高效的方法，以保护互连结构免受门级知识产权盗窃。
• 在提升安全性的同时，将功耗、性能和面积（PPA）开销最小化。
• 通过优化布线抬升过程，降低分拆制造相关的商业成本。
• 引入一种新且更具意义的度量指标——网表恢复率（Percentage of Netlist Recovery, PNR），以量化知识产权保护的有效性。

提出的方法

• 提出一种布线抬升技术，将互连结构抬升至后端工艺（BEOL）层，以防止逆向工程。
• 设计定制的抬升单元，实现在版图层面精确且可控的布线抬升。
• 引入网表恢复率（PNR）度量指标，以定量评估对门级知识产权盗窃的抗性。
• 将该方法应用于标准基准测试，以评估其安全性与PPA权衡表现。
• 优化抬升流程，以最小化功耗、性能和面积（PPA）开销。
• 向研究社区公开发布定制抬升单元，以促进可复现性与广泛采用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以最小PPA开销实现互连结构向BEOL层的抬升，以最大化安全性？
• RQ2 与先前工作相比，所提方法在多大程度上降低了网表恢复攻击的成功率？
• RQ3 像PNR这样的新度量指标是否能比现有度量指标更有效地量化知识产权保护的抗性？
• RQ4 布线抬升对分拆制造中商业制造成本有何影响？
• RQ5 该布线抬升技术在标准基准测试中具有多高的可控性与可扩展性？

主要发现

• 所提方法在常用基准测试中将正确连接率（反映网表恢复能力）降低至0%，为文献中首次。
• 该技术在实现强安全性的同时，功耗、性能和面积（PPA）开销合理且可控。
• 网表恢复率（PNR）度量指标能比以往度量指标更有效地、更有意义地量化知识产权保护的抗性。
• 该方法通过降低与流程相关的商业成本，实现了更具成本效益的分拆制造。
• 所开发的定制抬升单元已公开发布，支持研究可复现性与社区采纳。