安全已成為如今的熱門話題。對于電子設計工程師來說，最大的威脅莫過于市場上出現由于設計盜版而引起的大量假冒產品。根據反盜版聯盟(Ant i -Counterfeiting Coalition)的統計，2003 年，全美國涉及盜版的交易額達2 8 7 0 億美元，占全球盜版產品年銷售總量(4560 億美元)的63%。本文將介紹能夠保護低成本FPGA 設計的安全措施。
三大安全威脅
電子設計中最常見的侵權行為就是反向工程。當盜版者以在公開市場低價銷售為目的而企圖重新設計或制作某產品時，這種行為就會發生。通過反向工程，盜版者能夠非常迅速地完成設計，由于無需研發經費，因此成本可以很低。
目前， 許多公司采取了外包生產的方式，因而面臨著兩種新侵權行為的威脅，即超量生產和克隆。在超量生產中，承包制造商只需生產出多于OEM(原始設備制造商)訂貨量的產品，這些超量生產的產品會在未經OEM 授權的情況下售出。
克隆是指盜版者以相同或不同的品牌復制設計、IP或產品。同樣，克隆者不必花費任何研發成本。而且，超量生產和克隆的產品都能快速上市。
還未得到重視的是與這類侵權行為有
關的無形資產流失。無論產品遭到反向工程、超量生產還是克隆，都意味著OEM 銷售額的重大損失。除了損失銷售額，還會發生以退貨量形式表現出來的質量成本，可能會影響品牌形象。并且，隨著RMA(退貨授權書)數量增多，OEM需要提供技術支持以確定癥結所在并解決最終客戶的問題，又進一步增加了成本。最終，產品可能變得真偽難辨。這些都是無法補償的永久性損失。
使用Device DNA 實現安全功能
傳統的FPGA 使用比特流加密技術來防范反向工程和克隆。雖然以往的效果不錯，但現在，比特流加密已無法保護設計免遭超量生產的侵權。
為了保護設計不被以上三種行為所盜版，Xilinx 提供了幾種解決方案，并在最近推出了帶有DeviceDNA 的Spartan-3A 和Spartan-3AN器件系列，可幫助防范克隆者、超量生產者和反向工程者。這種DeviceDNA 設計級安全功能可以保護設計、IP和嵌入式代碼。DeviceDNA 是一種特殊的57 位ID，對于每個器件都是獨一無二的。這種57 位ID 是在Xilinx 工廠中固化或設定的，因而不能更改。Spartan-3A 和Spartan-3AN 兩種FPGA 在每個出廠的器件中都包含獨一無二的ID。
然后，該ID 會與設計師的個性化算法結合起來儲存在FPGA 上。該算法基本上是一個算術方程式，它規定如何提取DeviceDNA， 并創建一個結果。此結果可以存儲在任何地方，如外部存儲器或Flash 中。該算法是安全性的秘密所在，因為只有設計師才知道它。盡管它存儲在FPGA 上，但在旁觀者看來，這只是一部分比特流。
Spartan-3A 的安全性
對于Spartan-3A 器件，該算法將使用DeviceDNA 的結果與器件配置后存儲在Flash 中的結果相比較。如果二者匹配，則認可該設計。如果二者不匹配，該設計會被設置成多種行為方式，從輕微故障到嚴重功能障礙。
為了便于理解，可以把DeviaDNA比作ATM銀行卡，把個性算法比作ATM卡的密碼。其潛在的弱點是，可能出現有人同時得到了ATM 卡和密碼的情況。這個性化算法一旦為人知曉便很容易被克隆，這正是設計本身集成授權算法的原因。該算法置于可編程邏輯內部最隱秘的位置，可以選擇數百萬種配置方案。
Spartan-3AN 的安全性
對于Spartan-3AN 平臺(即新型非易失性FPGA 平臺)，此過程大同小異，只是有幾個增強項。第一個安全增強項是，比特流隱藏在FPGA 內部。這樣更難于被人窺見。
S p a r t a n -3AN FPGA 的第二個安全增強項是兩個特有的序列號，即DeviceDNA和工廠預設Flash ID，存儲在Flash 中。這兩個特有的ID 提供長達70個字節的序列號，可產生大量可能的算法，從而延長了破解認證算法所需的時間。于是，設計既要受FPGA 約束，又要受Flash ID 的約束。
第三項改進是在存儲的授權代碼中。在Spartan-3AN 平臺上，可以將授權代碼存儲在片上一個叫做Flash 用戶字段的專用一次性可編程64字節寄存器中。這樣可使整個安全系統自成一體。由于不需要外部接口或存儲器，整體安全性得以提高，使反向工程更加困難。
該認證算法由用戶定義，這使用戶能在設計預算內實現恰當的安全等級。該認證算法也是安全系統中的主要秘密。認證過程中必須有不為人知的秘密，才能保護安全系統不被破解。因為算法是未知的，所以它是設計級安全性的關鍵。算法是在FPGA 架構中實現的，因此便成為FPGA中數百萬配置位當中的少數幾個配置位。除非知道這些位如何組合在一起，或者知道是哪種算法，否則這看起來僅僅是一堆數字。應用Spartan-3AN 器件的一種可能的流程如圖1 所示。
圖1 可用Spartan-3AN FPGA實現的安全設置
Spartan-3AN 設計級安全功能是完全自成一體的安全解決方案，如圖2 所示。Flash 中既包含FPGA 配置比特流，也包含預生成的授權代碼。此代碼由可信/安全制造商或注冊流程存儲在一次性可編程Flash 用戶字段中。
圖2 安全Spartan-3AN器件
通電后，FPGA 進行正常配置。一旦配置完成，FPGA 應用程序便包括了批準已授權設計在相關Spartan-3AN FPGA 上運行的電路。認證算法將讀取DeviceDNA和工廠預設Flash ID，然后生成一個主動授權代碼，并將此授權代碼與Flash 用戶字段中存儲的預生成授權代碼進行比較。如果兩個代碼相等，則器件通過認證。否則，器件屬非法而無法獲得授權。
拒絕訪問
失敗認證的處理是DeviceDNA 設計級方案的又一強項。認證可以完全集成到設計中。這樣
，未經授權的設計可以引起多種反應，例如：
- 無功能-該設計完全停止工作。
- 有限功能-主電路或關鍵電路被禁用或旁路。
- 定時炸彈-僅在限期內提供全部功能。
- 主動防御-系統監測各項活動并抵御攻擊。
- 永久性自毀-刪除所有Flash 內容，并且將Flash 永遠鎖定在全零狀態。
本文所述的設計級安全功能是Spartan-3A 和Spartan-3AN 平臺中可實現的基本安全級別。
結語
在開始進行下一代電路設計時，安全是一個重要的問題，Spartan-3A 和Spartan-3AN 平臺中的安全措施為防范反向工程、超量生產和克隆提供了多種方法。