UA70312C2 - Device for protection of an integrated circuit device for protection of an integrated circuit - Google Patents

Description

пошкодження доріжки і надійного виявлення хибного сигналу. Такий отвір може також привести до утворення короткого замикання між різними доріжками, яке внаслідок пропадання сигналу надійно розпізнається відповідним детектором як хибний сигнал. При цьому ширину доріжок вибирають такою, що відповідає мінімальній ширині, досяжній при застосовуваній технології. Завдяки такому особливому виконанню доріжок - з одного боку у вигляді дуже вузьких смужок, а з іншого боку у вигляді простертих над різними рівнями мікросхеми структур з максимальним покриттям поверхні - досягнуто несподівано значний ступінь захисної дії проти механічного втручання у захисну схему. Таке втручання може бути здійснене шляхом свердління або стругання.

Згідно з переважною формою виконання винаходу детектор чи детектори захисної схеми розміщені під верхнім рівнем доріжок захисної схеми і захищені цими доріжками від небажаного втручання. Завдяки такій структурі забезпечується каскадний захист доріжками детекторів захисної схеми і інтегральної мікросхеми доріжками з детекторами.

Завдяки такій конструкції значною мірою утруднюється огляд чи маніпулювання детектором чи детекторами внаслідок, захисту доріжками, розміщеними над ними, що виключає можливість втручання шляхом підведення сигналів до детекторів.

В разі формування різних сигналів повністю незалежно один від іншого, наприклад, за допомогою незалежних генераторів, гарантовано, що ці сигнали значною мірою відрізняються один від іншого, оскільки вони системно не залежать один від іншого, і тому в загальному випадку можуть бути змодельовані лише з великими труднощами і з великими витратами. Завдання ускладнюється тим, що кілька різних сигналів цілеспрямовано мають бути підведені до правильних доріжок і одночасно до правильних детекторів, що з урахуванням вкрай обмежених розмірів інтегральної мікросхеми майже неможливо. Таким чином, така захисна схема виявилася особливо успішною в захисті інтегральної мікросхеми.

В іншому варіанті винаходу до однієї доріжки приєднано кілька детекторів, які знімають з доріжки сигнал кожен у своїй точці Її контролюють його. Тобто, в цій формі виконання доріжка розподілена на кілька відрізків, кожен з яких контролюється окремим детектором. Таким чином, ці відрізки доріжки беруть на себе функцію контрольованої доріжки. При цьому завдяки кількаразовому контролю всієї доріжки, розподіленої на відрізки, гарантовано, що якщо втручання в доріжку певним чином не буде виявлено одним із детекторів, то іншим чи частиною інших детекторів буде виявлено зміну контрольованого сигналу і сформовано сигнал тривоги. Завдяки надлишковому розміщенню детекторів вздовж доріжки досягається посилена захисна дія захисної схеми.

В загальному випадку намагаються використовувати максимальне число сигнальних доріжок і максимальне число генераторів сигналів і детекторів з тим, щоб утруднити втручання в формі реконфігурації схеми захисту уже самою їх кількістю. Одначе, в залежності від розмірів інтегральної схеми ці можливості обмежені, оскільки велика кількість окремих сигналів означає великі технологічні витрати, що веде до значного подорожчання мікросхеми внаслідок захисних заходів.

Тому в іншому варіанті винаходу описані вище методи формування захисних сигналів скомбіновано з мультиплексором і демультиплексором. При цьому методом часового мультиплексування різні доріжки захисного екрану в різні моменти часу з'єднуються з однаковими виходами генератора і входами детектора.

Таким чином, кількість генераторів і детекторів може бути меншою від кількості сегментів захисного екрану.

Перевагою цього варіанту слід вважати також те, що кількість доріжок, через які до детекторів подається опорний сигнал від відповідного генератора, також зменшується, що веде до значної економії площі чіпа.

Управління мультиплексором і демультиплексором може здійснюватися або централізовано, або ж їх стан залежить лише від кількості відпрацьованих циклів усієї системи синхронізації. Особливо вигідним є управління мультиплексорним каналом за допомогою випадкових або псевдо-випадкових сигналів,

Управління дійсно випадковими сигналами потребує поточної синхронізації мультиплексора (і демультиплексора спеціальним сигналом управління. Управління псевдо-випадковими сигналами робить можливим локальне формування ідентичних сигналів управління у просторовій близькості від мультиплексора і демультиплексора.

Згідно з особливо переважною формою виконання захисної схеми в разі використання кількох детекторів вони об'єднуються. Завдяки цьому в разі виявлення детектором неправильної роботи, тобто несанкціонованого втручання в інтегральну мікросхему, інтегральна мікросхема переводиться в режим безпеки. Завдяки об'єднанню, можна також за допомогою окремих детекторів перевіряти роботоздатність інших детекторів або наявність інших детекторів в рамках функції підтвердження або в рамках функції самоконтролю і таким чином виявляти небажане втручання у захисну схему чи у захищувану інтегральну схему і ініціювати режим безпеки інтегральної мікросхеми.

Виявилося вигідним поряд із детекторами об'єднувати також генератори, завдяки чому вихід із ладу чи втручання у генератор можуть бути виявлені. До того ж, завдяки об'єднанню генераторів з детекторами, можна передавати від генераторів до відповідних їм детекторів інформацію про вироблені ними сигнали, наприклад, в частині зміни в часі, рівня, форми чи інших параметрів. Завдяки цьому мінливість різних сигналів і, таким чином, ступінь свободи захисної схеми значно збільшуються, що утруднює втручання і, отже, значно підвищує ефективність захисної схеми від непоміченого втручання у інтегральну мікросхему.

Таким чином, основна ідея винайденої захисної схеми полягає не в локальному концентруванні компонентів захисної схеми, а в їх децентралізації, розосередженні на великій площі, збільшенні їх кількості і урізноманітненні їх виконання. Це веде до того, що формування сигналів, передача їх через електропровідні доріжки і контроль розподілено між кількома, з надлишком використовуваними компонентами, завдяки чому досягається вищий ступінь захисту від небажаного огляду чи маніпуляції щодо захисної схеми чи інтегральної мікросхеми, що підлягає захисту.

Захисні схеми для інтегральних мікросхем та їх переваги нижче пояснюються детальніше на прикладах виконання з використанням креслень. На них зображено:

Фіг.1 функціональна схема винайденої захисної схеми з одним генератором сигналу і одним детектором сигналу на кожну електропровідну доріжку,

Фіг.2 функціональна схема іншого прикладу захисної схеми,

Фіг.3 поперечний переріз через інтегральну мікросхему із захисною схемою,

Фіг.4 функціональна схема іншого прикладу винайденої захисної схеми з демультиплексором та мультиплексором.

На фіг.1 схематично зображено структуру захисної схеми для інтегральної мікросхеми. Вона містить три відокремлені одна від іншої, прокладені паралельно електропровідні доріжки 10, 11, 12. Ці доріжки 10, 11, 12 виконані у формі меандру і покривають певну зону інтегральної мікросхеми.

Доріжки 10, 11, 12 з'єднані кожна зі своїм генератором 20, 21, 22 сигналів. Сигнальні генератори 20, 21, 22 подають на доріжки 10, 11, 12 незалежні один від іншого і тому в принципі різні сигнали. Ці сигнали проходять по доріжках 10, 11, 12 і на їх кінцях аналізуються приєднаними до кожної доріжки окремими детекторами 30, 31, 32.

В рамках цього аналізу сигнали, що надійшли через доріжки 10, 11, 12, порівнюються з опорними сигналами, що подаються від генераторів 20, 21, 22 на детектори 30, 31, 32 через з'єднувальні провідники 13, 14, 15. Опорні сигнали представляють собою або безпосередньо такі ж сигнали, що проходять через доріжки 10, 11, 12, або до цих первинних сигналів додають необхідну інформацію, щоб із них одержати необхідну інформацію для опорних сигналів.

Обробка в детекторах 30, 31, 32 здійснюється шляхом порівняння опорних сигналів з сигналами, що надійшли через доріжки 10, 11, 12. В разі встановлення відмінності між цими сигналами формується сигнал тривоги як сигнал управління для інтегральної мікросхеми і через підведений до кожного детектора 30, 31, 32 провідник 4 подається на інтегральну мікросхему.

Цим сигналом інтегральна мікросхема переводиться в стан, який називається режимом безпеки. В цьому режимі, наприклад, більше не може бути зчитаний вміст комірок пам'яті, оскільки, наприклад, безпосередньо після переходу в режим безпеки записана в них інформація повністю стирається і безвідновно втрачається. Тому більше неможливо інформацію, записану в програмних чи інформаційних областях пам'яті, наприклад, кодові ключі чи номери виводів або персональні дані користувача, зчитати чи змінити шляхом маніпуляцій.

Завдяки багатократному, децентралізованому виконанню електропровідних доріжок 10, 11, 12, генераторів 20, 21, 22 і детекторів 30, 31, 32 цю захисну схему "обманути" шляхом подачі зовнішніх сигналів дуже важко, наприклад, з метою отримання детальнішої інформації про захищувану інтегральну мікросхему методом знімання стружки чи свердління.

Завдяки необхідності моделювати не лише один сигнал, а одночасно моделювати велику кількість різних сигналів в різних місцях для різних детекторів, розміщених на обмеженій площі, майже неможливо здійснити втручання в інтегральну мікросхему без виявлення зміни сигналів, тобто без втручання в захисну схему. Якщо детектор 30 виявляє зміну підведеного до нього сигналу доріжки 10, то він незалежно від інших детекторів 31, 32 формує сигнал тривоги і через провідник 4 передає його на інтегральну мікросхему, переводячи її в режим безпеки.

Завдяки меандроподібній паралельній конфігурації доріжок 10, 11, 12 утворюється закрита структура електропровідних доріжок, що покриває поверхню; вона надійно захищає розміщену під нею інтегральну мікросхему або принаймні її частину від втручання крізь ці електропровідні доріжки 10, 11, 12. Якщо хтось спробує за допомогою механічних засобів дістатися до розміщеної під доріжками 10, 11, 12 інтегральної мікросхеми, то він буде змушений пошкодити або навіть розірвати одну із доріжок 10, 11, 12, що веде до значної зміни сигналу, що передається по цій доріжці. Ця значна зміна сигналу ідентифікується з'єднаним з цією доріжкою детектором як неправильна робота, внаслідок чого формується сигнал тривоги.

Електропровідні доріжки 10, 11, 12 мають таку малу ширину, що всякий отвір, виконаний для досягнення рівнів 2 і З захисної схеми, розриває доріжки. Для цього відстань між окремими доріжками вибрана дуже малою, а самі доріжки розміщені у рівнях схеми у формі меандру. При цьому забезпечується абсолютно надійне розривання доріжок при спробі огляду чи маніпулювання, сигнал на кінці доріжки 10, 11, 12 пропадає, що інтерпретується детекторами як втручання.

Сигнали, вироблені генераторами 20, 21, 22, є спеціальними, частіше цифровими, але також і аналоговими сигналами, параметри яких змінюються при виникненні змін на шляху їх проходження через доріжки.

На фіг.2 схематично представлений інший варіант захисної схеми. Вона містить одну щільно розміщену доріжкову структуру, до якої в точці 9 подається вироблений генератором 20 сигнал.

На доріжковій структурі передбачено чотири точки відведення сигналу, що передається по ній. Кожна точка відведення сигналу з'єднана з підсилювачем 43, 44, 45, 46 для підсилення відведеного сигналу.

Підсилені сигнали подаються на детектори 33, 34, 35, 36. Залежно від розміщення точок відведення, доріжкова структура утворена доріжкою 10а між точкою 9 підведення сигналу і точкою під'єднання підсилювача 43 для детектора 33, доріжкою 106 між точкою 9 підведення сигналу | точкою під'єднання підсилювача 44 для детектора 34, доріжкою 10с між точкою 9 підведення сигналу і точкою під'єднання підсилювача 45 для детектора 35 і доріжкою 104 між точкою 9 підведення сигналу і точкою під'єднання підсилювача 46 для детектора 36.

Кожен із детекторів працює незалежно від інших детекторів і через свою доріжку 4 може передати на інтегральну мікросхему сигнал тривоги, який переведе її в режим безпеки.

Генератор 20 через з'єднувальні провідники 16, 17, 18, 19 з'єднаний з детекторами 33, 34, 35, 36 і передає їм специфічну інформацію про опорні сигнали для контролю доріжок 10а, 10р, 10с, 10а. Під управлінням програми генератор випадковим чином вибирає вид сигналу, що подається у доріжкову структуру, і через з'єднувальні провідники 16, 17, 18, 19 передає на детектори інформацію про форму поданого сигналу. Детектори 33, 34, 35, 36 оцінюють підведений до них через з'єднувальні провідники 16, 17, 18, 19 сигнал шляхом його порівняння з сигналами, одержаними в точках відведення сигналу від доріжок 1б0а, 105, 10с, 104. В разі виявлення суттєвої відмінності, тобто неправильної роботи, кожен із детекторів 33, 34, 35, 36 незалежно від інших формує сигнал тривоги і через провідник 4 передає його на інтегральну мікросхему, переводячи її в режим безпеки.

Завдяки розміщенню доріжок 1б0а, 100, 10с, 104 щільно, з перекриттям, забезпечено умови, за яких втручання в доріжкову систему призводить до змін не лише в одній із доріжок 1Оа, 10р, 10с, 1049, а одночасно до змін у кількох доріжках 10а, 10Б, 10с, 104. Тому при здійсненні несанкціонованого огляду чи маніпулювання зловмисник мусить змоделювати і подавати коректний сигнал не лише на один детектор, а на кілька, а то й усі детектори. Цей сигнал за формою і часовими параметрами мусить відповідати опорному сигналу, що безпосередньо чи опосередковано передається до детекторів 33, 34, 35, 36 від генератора 20 через з'єднувальні провідники 16, 17, 18, 19. При цьому, зважаючи на те, що генератор 20 під управлінням програми може динамічно змінювати сигнал, що подається в точку 9, стає очевидним, що огляд чи маніпулювання захисною схемою, а, значить, і захищеною такою захисною схемою інтегральною мікросхемою практично виключені.

На фіг.3 представлено пошарову структуру інтегральної мікросхеми 1 і розміщеної над нею захисної схеми. На фіг.З не зображено відповідної захисної схеми на нижньому боці інтегральної мікросхеми. Така друга захисна схема на іншому боці інтегральної мікросхеми 1 має таку ж структуру, як і зображена тут захисна схема.

Захисна схема розміщена поверх інтегральної мікросхеми 1. Вона містить два розміщених один над іншим рівні 2, З, відокремлені один від іншого і від захищуваної інтегральної мікросхеми 1 ізоляційними шарами 5. Завдяки ізоляційному шару 5, виключається небезпека короткого замикання між доріжками 10, 11 ії інтегральною схемою 1.

У першому рівні 2 виконані у вигляді смужок доріжки 10 розділені виконаними у вигляді смужок ізоляційними зонами 6. Доріжки 10 розміщені паралельно одна одній. Поверх рівня 2 розміщений другий рівень 3, що містить виконані у вигляді смужок, паралельні одна одній доріжки 11. Доріжки 11 також відокремлені і, таким чином, ізольовані одна від іншої ізоляційними зонами 6. Доріжки 10 розміщені таким чином, що у взаємодії з доріжками 11 вони повністю покривають захищувану інтегральну мікросхему 1. Це повне покриття досягається тоді, коли при наскрізному огляді крізь перший і другий рівні захисної схеми кожна точка захищуваної схеми, тобто, кожна захищувана точка інтегральної мікросхеми 1 перекрита або доріжками 10, або доріжками 11, або як доріжками 10, так і доріжками 11.

При спробі отримання доступу до захищуваної інтегральної мікросхеми 1 зловмисник муситиме спочатку проникнути крізь захисну схему, тобто, крізь рівні 2, З і, зважаючи на повне покриття, пошкодити щонайменше одну із доріжок 10, 11. Таке пошкодження, яке може бути, наприклад, повним розриванням доріжок або коротким замиканням між доріжками в рівні 2 або між доріжками рівнів 2, 3, або частковим пошкодженням доріжок 10, 11, веде до явної зміни передаваного через ці доріжки сигналу, який у порівнянні з очікуваним опорним сигналом відповідним детектором інтерпретується як хибний сигнал і втручання в захисну схему або захищувану інтегральну мікросхему, що веде до подачі на інтегральну мікросхему 1 сигналу тривоги. Цей сигнал тривоги переводить інтегральну мікросхему 1 у режим безпеки.

У першому рівні 2 розміщені захищені розміщеним поверх нього рівнем З з доріжками 11 не зображені на фіг.3 генератори 20, 21, 22 і відповідні детектори 30-36. Ця структура розосереджена над усім першим рівнем 2, що значно обмежує можливість подолання захисної схеми.

На фіг4 зображено приклад вдосконаленого варіанту виконання винаходу з вісьмома електропровідними доріжками 40-47. Ці вісім доріжок 40-47 розподілені на дві групи по чотири доріжки: 40- 43 і 44-47. Для кожної із груп доріжок призначено лише один генератор 60 і, відповідно, 62 і один детектор 61 і 63. Сигнали генераторів 60 і 62 підведені до груп доріжок 40-43 і 44-47 через демультиплексори 50 і 52, а передані через доріжки сигнали підведені до детекторів 61 і 63 через мультиплексори 51 і 53.

В цьому виконанні винаходу для підведення опорних сигналів до детекторів 61, 63 на кожну групу доріжок необхідно лише один з'єднувальний провідник 48 і, відповідно, 49. Детектори 61, 63 мають по одному провіднику 4, через які передається сигнал тривоги, якщо сигнал, одержаний через мультиплексори 51, 53, не співпадає з очікуваним.

У зображеному прикладі виконання з двома групами доріжок 40-43 і 43-47 показано дві різні можливості управління демультиплексорами 50, 52 і мультиплексорами 51, 53. У верхній частині фіг.А4 управління демультиплексором 50 і мультиплексором 51 з метою вибору однієї із доріжок 40-43 здійснюється спільно від одного генератора 70 випадкових сигналів. В разі зображеної у нижній частині фіг.4 групи доріжок 43-47 управління демультиплексором 52 і мультиплексором 53 з метою вибору доріжок здійснюється від двох окремих, але однаково виконаних генераторів 71, 72 псевдовипадкових сигналів, які, завдяки однаковій структурі, під дією спільного сигналу синхронізації одночасно виробляють однакові випадкові числа.

Принципово можна також управління демультиплексорами і мультиплексорами здійснювати самим сигналом синхронізації, що хоча схемотехнічно і простіше, але більш критично з точки зору безпеки.

В залежності від наявної площі чіпа, на основі цього вдосконаленого варіанту виконання захисної схеми можна знайти добрий компроміс між максимально повним покриттям поверхні чіпа з якомога вужчими і якомога щільніше розміщеними доріжками і бажанням досягнення якомога менших схемотехнічних витрат.

Фіг. в : ММ он ен ! ве МЕЖ МКМ БУМ УМ

ЕМ й вк "М

Зо «но я

ФМГ. - що 3 Її й ; НН ; і У,

Вілла і ха ;

Дон фоні - -Ь-ї їі

Кон тиви М Нд ин інниннї ТБ нН-

КЕ ІЗ КЗ сеть 1 Х ї У детететететтетититикиник но Е Н ДН ї

Адлер ортюу ї метро іт М крОЖМ ро рен,

СУ на В КАН МА МИ ЗО З В НЕ З ПИ ва и

Кзрзни ТТ ЕІ Же

КЕРРІ ЕРРРЕРЕРІЗ

НИ ВЕ НЕ МЕНЕ

РР: АНА о о

НЕ ЕЕ НИ НЕ КК

25 Зяде -нН ннн пенмшн-я ї т

Біенннннкос ж сн

КР денну ріннняу 0 роти тету 11 18 -й ЕН ГЕ: І вишите фі РОК О Бордюри ; зт НИ НН ті у, пани шк ПІШІ ШЕ НЕ

Ед пи ПИ ТИ З щу

Н Н ме Н Н у Я Н вБ5ЕЖи З ща мав то ма ше ще що ЖЕ грі Н ПИ Н Н фонд ї Й нндтни няння ие на и

Ми ни М КТ ги У ше НЕ МИ ни и

ХОрнуж «рЖх пт рив К й В о СОС сита ладан у Ді че ле БМ У МА

ЕЕ ор нн каш я с Б ни В нн

АСК аа ее я ши и ко ОТ 1; У ут оту ва ; 2 ПИШЕ вича нн и В шН З . Я й да й дн Ап нняння нку

Н КУ Н

Ж : -- Н

Н ЗМ ння ОМ, ї

Н Оті ую ї :

Н ромом ово МИ Н і р омоооовіоо вів оо ооо в М

З БЕК кі Безе

На БЕ В ші меми ооо МЕ З нач кромок і У і уко Н Н ї х рогового. у; зняту У ААСОЕі и х

Н ! їх 1

Н т мае Доотногеч что

Мн КУ пи з : Н

Н Ко ї

Н КОН : Н я БОШ ШИПИЦИЦЬ ОЇ о фея о в и МН ВН -р ки

Ес опо МИ і

НО КИЙ 3 дян ДК о шнн - 1.20 пі

Корея ві рин і : і сети сплжний