設(shè)計重用 - 在多芯片設(shè)計上采用預(yù)先設(shè)計和預(yù)先驗證的內(nèi)核(通常稱為不準(zhǔn)確的，作為知識產(chǎn)權(quán)或IP)的能力對于可行的片上系統(tǒng)設(shè)計是必要的。除了設(shè)計重用之外，還需要保留那些缺乏使用這些塊的合法權(quán)利的人和組織的可重用塊。

保護芯片核心是一個復(fù)雜的問題，因為有人可能會使用多個抽象級別或傳輸核心，如RTL，門級或物理布局?jǐn)?shù)據(jù)，以及核心供應(yīng)商的擴散。由于基于核心的芯片設(shè)計相對較新，商業(yè)核心保護仍處于早期階段。通過了解保護硬核和軟核芯片的可用和不斷發(fā)展的方法，您可以更好地設(shè)計可重復(fù)使用的塊并將這些塊傳輸給公司內(nèi)外的其他人。

核心不等于IP

關(guān)于保護可重用硅芯免受非法使用的討論會帶來核心或虛擬組件(VC)與IP之間的差異。盡管許多人將芯片內(nèi)核稱為IP，但對于大多數(shù)關(guān)于片上系統(tǒng)和可重用內(nèi)核的討論而言，這個術(shù)語并不具體。知識產(chǎn)權(quán)是一個廣義的術(shù)語，定義為公司擁有的任何特殊知識，使其在競爭中具有優(yōu)勢(參考文獻1)。硅芯是IP，但公司的專利，特殊芯片工藝等等也是如此。核心保護比一般的知識產(chǎn)權(quán)保護更受關(guān)注。

知識產(chǎn)權(quán)保護通常采取法律威懾的形式 - 用于防止某人竊取知識產(chǎn)權(quán)的方法。這些威懾包括專利，版權(quán)，商標(biāo)和商業(yè)秘密(參考文獻1)。這些保護機制通常是有效的，但肯定不是萬無一失的。例如，亞洲街區(qū)各國都有很多盜版CD和錄像帶。另一方面，核心保護超越了這些法律威懾力量。諸如加密和編譯之類的保護方法在使核心盜竊變得更加困難方面是有效的。同時使核心盜竊更難的是水印，數(shù)字指紋識別和標(biāo)記 - 所有檢測和提供盜竊證據(jù)的方法。但是，沒有任何保護機制是萬無一失的。你可以在時間和資源方面花費極其昂貴的時間來竊取核心，但是你不能讓它變得不可能。

可重復(fù)使用的核心有三種形式：軟，堅固和堅硬。供應(yīng)商通常用HDL，Verilog或VHDL描述軟核，但核心也可能有門級或網(wǎng)表描述。軟核不包含物理信息;您可以為各種硅工藝設(shè)計它們。這種靈活性的權(quán)衡是一組松散的性能規(guī)范，因為性能(速度和功率)取決于核心的物理實現(xiàn)。硬核是嵌入芯片中的已定義物理塊。由于硬核具有固定的拓?fù)浜湍繕?biāo)進程，因此它具有明確定義的性能。硬核和軟核之間是堅固的核心，具有一些結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化。由于公司核心包含一些布局指導(dǎo)，因此其性能比軟核的性能更可預(yù)測。公司核心具有一系列表示形式，從布局規(guī)劃的RTL塊到完全放置的網(wǎng)表。不同類型的內(nèi)核需要不同類型的保護和檢測。

通常以加密或編譯的形式添加技術(shù)核心安全性的結(jié)果是，您更難以使用核心(見附文“模型編譯保護核心”)。保護核心的本質(zhì)降低了核心“膽量”的可見性，使得設(shè)計和調(diào)試核心變得更加困難。另一方面，核心保護的檢測機制沒有隱藏核心工作方式細(xì)節(jié)的問題(表1)。

兩種不斷發(fā)展的核心盜竊檢測方法是數(shù)字水印和數(shù)字指紋識別。水印是您在某個抽象級別(例如RTL)添加到核心的東西，并且您可以在稍后的抽象級別(例如門級或核心的物理描述)中進行檢測。您希望在核心上使用數(shù)字水印，以使水印對核心性能影響很小或沒有影響;此過程類似于添加測試邏輯。另一方面，數(shù)字指紋不是您添加到核心以使其可唯一識別的內(nèi)容，而是核心結(jié)構(gòu)中已存在的某些功能。因為您不會向核心添加任何內(nèi)容，所以您可以將指紋視為被動水印。

數(shù)字水印是保護VC的可行方法，但需要付出代價。如果正確實施，水印是對核心盜竊的威懾。開銷(面積，性能下降或兩者兼而有之)可能很低，您可以在不同的設(shè)計 - 抽象級別應(yīng)用不同的水印。雖然水印阻止了VC的盜竊，但它們并沒有阻止它。此外，添加數(shù)字水印并隨后檢測水印需要花費時間和資源。同樣，雖然您不必添加數(shù)字指紋，但仍然需要花費時間和金錢來識別核心的唯一指紋，然后再讀取指紋。

您可以通過以下方式實現(xiàn)數(shù)字水印和指紋旨在隱藏他們從潛在小偷那里獲得的保護的技術(shù)。另一方面，標(biāo)記是一種向核心添加信息以幫助跟蹤核心來源，使用者以及其他相關(guān)信息的方法。標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲器塊提供商Artisan Components(www.artisan.com)開發(fā)了一種稱為Artiscan的標(biāo)記方法，VC供應(yīng)商在GDS-II文件中插入了描述芯片物理布局(“多邊形”級別)的文件。硬核或標(biāo)準(zhǔn)單元供應(yīng)商將文本插入到特定代工廠特有的設(shè)計層上的ASCII GDS-II文件中。該文本包括核心/單元供應(yīng)商的名稱，產(chǎn)品名稱，核心/單元的版本號，代工廠名稱和核心/單元區(qū)域。核心供應(yīng)商和代工廠可以根據(jù)需要添加信息。 AnArtiscan讀卡器檢測標(biāo)記的注釋并打印出總結(jié)核心信息的報告。

目前正在開發(fā)幾種數(shù)字水印方案。雖然尚未作為商業(yè)產(chǎn)品提供，但一些例子說明了可能成為主流基于核心的產(chǎn)品開發(fā)的一部分的水印技術(shù)。用于DSP濾波器的一種水印技術(shù)在算法開發(fā)期間應(yīng)用水印(參考文獻2)。通過操縱濾波器響應(yīng)，您可以將數(shù)字簽名(位模式)編碼為濾波器的幅度響應(yīng)(圖2)。片上濾波器性能測量很容易產(chǎn)生簽名。您還可以在架構(gòu)級別的過濾器中嵌入類似的數(shù)字簽名，從而更改過濾器的配置而不修改其傳輸功能。雖然這種技術(shù)適用于特定的核心功能 - 過濾器 - 其他水印方案正在開發(fā)用于abroaderclass的電路。

通過嵌入數(shù)字簽名，您可以在大多數(shù)數(shù)字控制電路中找到順序邏輯電路的水印方法(參考文獻3和4)。參考文獻3中的技術(shù)通過將水印放置在同步時序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖上來工作，使得電路呈現(xiàn)特定輸入集的屬性，該電路在非水印版本中是不可能的。一個必要的約束是選擇水印過渡，這樣就不會影響電路的正常功能。您可以將水印添加到門級的有限狀態(tài)機(FSM)，然后使用適當(dāng)?shù)腇SM輸入序列對其進行檢測。參考文獻4中的工作類似。此技術(shù)修改FSM以使用意外的輸入集提供可預(yù)測的輸出。修改是I/O集的水印，在正常電路操作期間不會發(fā)生。水印I/O集難以檢測，因為它在一系列正常的I/O序列中。

FPGA為實現(xiàn)數(shù)字水印提供了獨特的機會，因為所有FPGA芯片都有一些未使用的邏輯。例如，您可以在Xilinx(www.xilinx.com)器件的未提交的可配置邏輯塊(CLB)的查找表中嵌入透明數(shù)字簽名。為了增加使用基于查找表的簽名對芯片進行逆向工程的難度，該方法對每個設(shè)計實例的簽名使用不同的CLB。此方案導(dǎo)致每個實例的布局不同。簽名很難被檢測到并且對電路性能沒有太大影響，盡管簽名的不同指定CLB會導(dǎo)致布局后的某些時序差異。

因為數(shù)字水印要求您添加一些內(nèi)容。核心不需要正常運行的核心，數(shù)字指紋似乎是保護您的VC的可行替代方案。 Taeus的業(yè)務(wù)是專利許可和訴訟的技術(shù)調(diào)查，已經(jīng)開發(fā)出數(shù)字指紋流程。 Taeus在Verilog或VHDL中以設(shè)計的行為級別識別指紋。然后，您可以在后續(xù)的設(shè)計抽象級別讀取指紋，一直到硅實現(xiàn)(圖3)。 Taeus的指紋基于兩個組織為特定任務(wù)設(shè)計VC的事實，例如PCI核心，有些不同。 Taeus的FingerPrint技術(shù)為每個VC識別一個獨特的指紋，將VC與具有類似功能的其他塊區(qū)分開來。該技術(shù)于5月在Actel(www.actel.com)PCI宏上得到證實?，F(xiàn)在，Taeus手動讀取不同抽象級別和硅片上的指紋。到今年年底，該公司希望擁有可用于執(zhí)行某些閱讀任務(wù)的自動化工具。

IT有多廣泛?

如果您包含法律保護措施(如專利和版權(quán))，則實施核心保護的供應(yīng)商和用戶的百分比很高。如果僅考慮VC保護的技術(shù)方法，則使用率會急劇下降。最近一份總結(jié)VC風(fēng)險保護調(diào)查的報告顯示，接受調(diào)查的公司中有近90%(包括系統(tǒng)公司，半導(dǎo)體供應(yīng)商，IP供應(yīng)商和設(shè)計公司)使用一些法律手段來保護核心(參考文獻6)。同一調(diào)查報告稱，這些組織中只有約42%通過加密保護VC，35%使用其他技術(shù)手段，如數(shù)字水印和指紋識別。低水平的基于水印和指紋的核心保護是由于許多因素造成的，包括基于技術(shù)的VC保護方案的不成熟以及缺乏數(shù)字水印和指紋標(biāo)準(zhǔn)(參見附文“VSIA印刷機的核心 - 保護標(biāo)準(zhǔn)“)。采用這些保護技術(shù)還需要額外的資源;許多進行基于核心設(shè)計的公司都不愿意花時間和金錢通過這些手段進行核心保護。

從硅代工廠的角度來看，盡管聯(lián)華電子(www.umcgroup.com)正在與Artisan合作Artiscan標(biāo)記技術(shù)，TSMC(www.tsmc.com)不使用芯片標(biāo)簽進行跟蹤。該公司目前正在手動跟蹤芯片，但正在考慮自動化流程。臺積電正在尋求的另一項核心保護技術(shù)是為核心供應(yīng)商存儲核心數(shù)據(jù)文件。當(dāng)代工廠客戶想要將芯片設(shè)計到芯片上時，臺積電將提供“幻像”塊和適當(dāng)?shù)哪Ｐ?。在客戶完成設(shè)計并準(zhǔn)備好硅片之后，TSMC將核心的GDS-II文件添加到完整的芯片GDS-II中;客戶永遠(yuǎn)不會看到詳細(xì)的核心數(shù)據(jù)文件。

Phoenix Technologies(www.phoenix.com)營銷副總裁Robert Nalesnik回應(yīng)了許多核心供應(yīng)商和用戶的抱怨。目前的VC技術(shù)保護方法對鳳凰城及其客戶來說太有限了。您必須能夠在所有后續(xù)設(shè)計步驟中通過最終芯片檢測嵌入式數(shù)字水印或在某種設(shè)計抽象級別建立的已識別數(shù)字指紋。當(dāng)前可用的加密和編譯方案不存在標(biāo)準(zhǔn)化。如果鳳凰城選擇支持商業(yè)核心模型加密工具，該公司將不得不為不同的客戶提供不同的工具 - 這是鳳凰不愿意承擔(dān)的負(fù)擔(dān)。

Nalesnik還表示許多基于核心的關(guān)注 - 芯片設(shè)計師：對他們而言，保護方法不得影響設(shè)計過程。當(dāng)然，設(shè)計師最初也對測試設(shè)計(DFT)技術(shù)有類似的關(guān)注;他們希望DFT沒有硅開銷或額外的設(shè)計時間。然而，設(shè)計師對DFT的擔(dān)憂逐漸消退，因為DFT的實用性變得明顯。隨著時間的推移，隨著VC保護技術(shù)的成熟，設(shè)計師對它的反應(yīng)將遵循與DFT類似的路徑。

模型編譯保護核心

最多廣泛使用的核心保護技術(shù)使用加密或安全模型生成來保護模型。這兩種技術(shù)在Verilog或VHDL中的軟核模型上效果最佳，并且對于知識產(chǎn)權(quán)(IP)導(dǎo)出最有用，例如從供應(yīng)商到被許可人。加密和編譯是不同的。真正的加密為解密留下了空間 - 加密過程是可逆的 - 源代碼恢復(fù)。編譯從HDL源代碼生成二進制對象代碼。編譯是不可逆轉(zhuǎn)的，因此在編譯后幾乎不可能恢復(fù)源代碼(圖A)。 Topdown設(shè)計解決方案，Summit Design，Escalade和Synopsys(表1)是一些EDA公司，其產(chǎn)品使用模型源代碼編譯來保護核心模型，并讓設(shè)計人員模擬受保護的模型(參考文獻1)。

除了源代碼恢復(fù)之外，編譯還提供了比加密更多的優(yōu)勢。核心供應(yīng)商可以使用標(biāo)準(zhǔn)接口為多個模擬器生成編譯代碼，例如Verilog的PLI(編程語言接口)。沒有用于保護核心的加密標(biāo)準(zhǔn)。核心開發(fā)人員可以為他們的客戶提供編譯模型，然后客戶將模型模擬為芯片設(shè)計的一部分。由于模型表示的邏輯采用編譯格式，因此客戶無法破譯此邏輯。最后，一些提供編譯模型的公司可以優(yōu)化模型上的模擬包裝外殼，以便在目標(biāo)模擬器上實現(xiàn)最快的執(zhí)行速度。