针对功耗采样的低噪声高带宽模拟前端设计与实现

《针对功耗采样的低噪声高带宽模拟前端设计与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、中国计算机学会第十七届计算机工程与工艺学术年会暨第三届“微处理器技术”论坛针对功耗采样的低噪声高带宽模拟前端设计与实现刘铮张明李少青（国防科技大学计算机学院长沙410073）摘要：差分功耗攻击（DPA）对密码芯片的密钥具有很高的威胁性，是一种非常有效的攻击手段。但是，专用密码芯片具有工作频率高，加密部件占总芯片比例小等特点，增加了DPA的攻击难度。本文针对专用密码芯片的工作特点，设计并实现了一种用于DPA攻击的低噪声高带宽模拟前端，用于采集芯片瞬态功耗信息。基于大电容供电的原理，设计并实现了一个低噪声供电装置，降低了电源噪声的影响；同时基于多级放

2、大的原理，设计并实现了一个高增益、高带宽模拟前端。实验结果表明，低噪声供电装置相对于开关电源，有效减小了电源噪声；同时可编程放大器在32dB增益下，仍达到了2GHz的带宽需求。关键字：DPA；低噪声；高带宽；模拟前端统的模拟前端，它是整个功耗采样系统的基础，1引言目标是实现对密码芯片的功耗波形进行采样。由于密码芯片的工作频率较高，而且加解密的功耗密码芯片是信息系统安全控制中的核心和信变化信息较为微弱，所以，该模拟前端需要解决任根源，因此密码芯片自身的安全性对整个系统针对微弱信号的高增益、高带宽和高采样精度需起着关键作用。目前，针对密码算法的执行载体

3、求等设计难点。（密码芯片）攻击主要有旁路攻击和物理攻击两在传统的采样系统中，带宽的提升常常会带类，而旁路攻击中的功耗分析攻击被证明是最为来增益和采样精度的下降，即在采集高频信号时，[1]有效的攻击技术。很难同时做到高采样精度，如此，就难以保证密功耗分析攻击（PowerAnalysisAttack）是[6、7]码芯片功耗分析的准确性。一种利用密码芯片运行时泄漏的功耗信息来分本文所实现的采样系统的模拟前端，是针对[1-3]析算法密钥的攻击方法，其可行性在于密码算密码芯片的功耗采样系统而设计的，在保证带宽[4、法部件所消耗的功耗与密钥之间具有相关性。的同

4、时最大程度地提高了采样精度。在设计高采5]这是因为当前集成电路大都采用静态CMOS单元样精度时，由于添加滤波电容以及磁珠这样传统实现，这种电路结构在工作时所消耗的功耗与其的降噪方式不能满足本系统的需求，所以设计了输入输出翻转状态密切相关。简单的说，当CMOS一套低噪声的供电方式以代替开关电源，从而解逻辑门的输出端发生“0→1”（或“1→0”）的信决了影响精度的最大因素——电源噪声。在设计号翻转时，会产生从电源到输出端的充电电流高带宽时，采用多级运放的方式逐级放大微弱的（或从输出端到地的放电电流），而当CMOS逻辑采样信号，在保证高带宽的前提下，实现

5、高增益门在连续的两个时钟节拍都保持相同的信号值的要求，充分利用ADC的转换精度，最大程度地时，则不会产生动态电流。在宏观上表现为逻辑减小采样误差。门在有信号翻转时会消耗更多的功耗，这就给芯片攻击者提供了分析依据。2低噪声高带宽的功耗采样前端设由于智能卡的工作频率较低，加密部件占总芯片的比例很大，所以，目前针对智能卡的功耗计攻击手段已经很成熟。对于密码芯片来说，功耗为了满足高精度的采样要求，整个采样系统攻击就较难实现，因为其工作频率较高，加密部选用的高性能ADC，其采样精度为12位、采样率件占总芯片的比例很小，功耗变化信息较为微弱，为500Msps、

6、满量程输入电压为1.1V。为了获得一般的功耗采样系统很难实现对密码芯片的功更好的功耗波形，本采样系统通过四路ADC的流耗采集。水化采样，实现了2Gsps的采样率。针对功耗分析攻击，本文设计了一个采样系由于本采样系统针对的是工作频率在300MHz国家“核高基”重大专项：2012ZX01027004003作者简介：刘铮，男，硕士研究生，研究方向为微电子技术；张明，男，助理研究员，研究方向高性能微处理器设计；李少青，男，研究员，研究方向为高性能微处理器设计与验证技术。通信地址：410073湖南长沙国防科技大学计算机学院。Email：zliu1989@y

7、ahoo.com左右的密码芯片，支持其最大工作电流不超过=0.667秒，也就是说，电容一次放电的时间不会1000mA，所以对模拟前端的设计提出了更高的要超过0.667秒。当采样结束后，通过PXI总线向求。在功耗采样系统的前端设计中，主要对降低上位机传输数据，完成整个2GB数据的传输所电源噪声和提高模拟前端带宽这两个难点进行需时间会远超过0.667秒。不过电容供电只需要论述。满足采样所需的0.667秒即可，采样结束后将使用开关电源供电。下面我们计算电容供电系统对2.1基于大电容的低噪声供电设计于电容容值的需求。以0.667秒的充放电时间来电源噪声是影

8、响采样精度最重要的因素之一，计算，电容对芯片和采样电路模拟前端供电，芯所以，找到一种低噪声的供电方式就尤为重要。片允许的最