針對功耗采樣的低噪聲高帶寬模擬前端設計與實現(xiàn)

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1、中國計算機學會第十七屆計算機工程與工藝學術(shù)年會暨第三屆“微處理器技術(shù)”論壇針對功耗采樣的低噪聲高帶寬模擬前端設計與實現(xiàn)劉錚張明李少青?（國防科技大學計算機學院長沙410073）摘要：差分功耗攻擊（DPA）對密碼芯片的密鑰具有很高的威脅性，是一種非常有效的攻擊手段。但是，專用密碼芯片具有工作頻率高，加密部件占總芯片比例小等特點，增加了DPA的攻擊難度。本文針對專用密碼芯片的工作特點，設計并實現(xiàn)了一種用于DPA攻擊的低噪聲高帶寬模擬前端，用于采集芯片瞬態(tài)功耗信息?；诖箅娙莨╇姷脑?，設計并實現(xiàn)了一個低噪聲供電裝置，降低了電源噪聲的影響；同時基于多級放

2、大的原理，設計并實現(xiàn)了一個高增益、高帶寬模擬前端。實驗結(jié)果表明，低噪聲供電裝置相對于開關電源，有效減小了電源噪聲；同時可編程放大器在32dB增益下，仍達到了2GHz的帶寬需求。關鍵字：DPA；低噪聲；高帶寬；模擬前端統(tǒng)的模擬前端，它是整個功耗采樣系統(tǒng)的基礎，1引言目標是實現(xiàn)對密碼芯片的功耗波形進行采樣。由于密碼芯片的工作頻率較高，而且加解密的功耗密碼芯片是信息系統(tǒng)安全控制中的核心和信變化信息較為微弱，所以，該模擬前端需要解決任根源，因此密碼芯片自身的安全性對整個系統(tǒng)針對微弱信號的高增益、高帶寬和高采樣精度需起著關鍵作用。目前，針對密碼算法的執(zhí)行載體

3、求等設計難點。（密碼芯片）攻擊主要有旁路攻擊和物理攻擊兩在傳統(tǒng)的采樣系統(tǒng)中，帶寬的提升常常會帶類，而旁路攻擊中的功耗分析攻擊被證明是最為來增益和采樣精度的下降，即在采集高頻信號時，[1]有效的攻擊技術(shù)。很難同時做到高采樣精度，如此，就難以保證密功耗分析攻擊（PowerAnalysisAttack）是[6、7]碼芯片功耗分析的準確性。一種利用密碼芯片運行時泄漏的功耗信息來分本文所實現(xiàn)的采樣系統(tǒng)的模擬前端，是針對[1-3]析算法密鑰的攻擊方法，其可行性在于密碼算密碼芯片的功耗采樣系統(tǒng)而設計的，在保證帶寬[4、法部件所消耗的功耗與密鑰之間具有相關性。的同

4、時最大程度地提高了采樣精度。在設計高采5]這是因為當前集成電路大都采用靜態(tài)CMOS單元樣精度時，由于添加濾波電容以及磁珠這樣傳統(tǒng)實現(xiàn)，這種電路結(jié)構(gòu)在工作時所消耗的功耗與其的降噪方式不能滿足本系統(tǒng)的需求，所以設計了輸入輸出翻轉(zhuǎn)狀態(tài)密切相關。簡單的說，當CMOS一套低噪聲的供電方式以代替開關電源，從而解邏輯門的輸出端發(fā)生“0→1”（或“1→0”）的信決了影響精度的最大因素——電源噪聲。在設計號翻轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生從電源到輸出端的充電電流高帶寬時，采用多級運放的方式逐級放大微弱的（或從輸出端到地的放電電流），而當CMOS邏輯采樣信號，在保證高帶寬的前提下，實現(xiàn)

5、高增益門在連續(xù)的兩個時鐘節(jié)拍都保持相同的信號值的要求，充分利用ADC的轉(zhuǎn)換精度，最大程度地時，則不會產(chǎn)生動態(tài)電流。在宏觀上表現(xiàn)為邏輯減小采樣誤差。門在有信號翻轉(zhuǎn)時會消耗更多的功耗，這就給芯片攻擊者提供了分析依據(jù)。2低噪聲高帶寬的功耗采樣前端設由于智能卡的工作頻率較低，加密部件占總芯片的比例很大，所以，目前針對智能卡的功耗計攻擊手段已經(jīng)很成熟。對于密碼芯片來說，功耗為了滿足高精度的采樣要求，整個采樣系統(tǒng)攻擊就較難實現(xiàn)，因為其工作頻率較高，加密部選用的高性能ADC，其采樣精度為12位、采樣率件占總芯片的比例很小，功耗變化信息較為微弱，為500Msps、

6、滿量程輸入電壓為1.1V。為了獲得一般的功耗采樣系統(tǒng)很難實現(xiàn)對密碼芯片的功更好的功耗波形，本采樣系統(tǒng)通過四路ADC的流耗采集。水化采樣，實現(xiàn)了2Gsps的采樣率。針對功耗分析攻擊，本文設計了一個采樣系由于本采樣系統(tǒng)針對的是工作頻率在300MHz?國家“核高基”重大專項：2012ZX01027004003作者簡介：劉錚，男，碩士研究生，研究方向為微電子技術(shù)；張明，男，助理研究員，研究方向高性能微處理器設計；李少青，男，研究員，研究方向為高性能微處理器設計與驗證技術(shù)。通信地址：410073湖南長沙國防科技大學計算機學院。Email：zliu1989@y

7、ahoo.com左右的密碼芯片，支持其最大工作電流不超過=0.667秒，也就是說，電容一次放電的時間不會1000mA，所以對模擬前端的設計提出了更高的要超過0.667秒。當采樣結(jié)束后，通過PXI總線向求。在功耗采樣系統(tǒng)的前端設計中，主要對降低上位機傳輸數(shù)據(jù)，完成整個2GB數(shù)據(jù)的傳輸所電源噪聲和提高模擬前端帶寬這兩個難點進行需時間會遠超過0.667秒。不過電容供電只需要論述。滿足采樣所需的0.667秒即可，采樣結(jié)束后將使用開關電源供電。下面我們計算電容供電系統(tǒng)對2.1基于大電容的低噪聲供電設計于電容容值的需求。以0.667秒的充放電時間來電源噪聲是影

8、響采樣精度最重要的因素之一，計算，電容對芯片和采樣電路模擬前端供電，芯所以，找到一種低噪聲的供電方式就尤為重要。片允許的最