基于FPGA的設計安全考慮

劉海堂

（中國航空計算技術研究所，陜西西安，710065）

基于FPGA的設計安全考慮

劉海堂

（中國航空計算技術研究所，陜西西安，710065）

現代商業產品設計中，針對設計安全的問題往往考慮不足，這容易引發知識產權糾紛，產品設計被篡改，產品被仿制等諸多問題。為了提高產品的設計信息的安全性，文中介紹了幾種方法，可以降低甚至消除產品設計信息被竊取的風險。

知識產權（IP）；設計保護；FPGA

0 引言

現代社會中，設計安全不足正成為以知識產權為基礎的經濟的最大威脅之一。據國際商會估計，7%的世界貿易是假冒商品，假冒市場每年約有2500億美元的規模，并且每年會造成75萬人失業。IP竊取包括多種形式，從商業秘密到產品的假冒仿制。已有很多文獻證明，逆向工程中的IP竊取者會給公司帶來成百上千萬的利潤損失，尤其是該IP被競爭對手獲取后用來設計競爭產品的情況。更為嚴重的是，IP竊取者會用竊取的IP來仿造和原始設計極其相似的產品并將其投放到市場中，但是仿造品的售后、維護及產品可靠性等責任仍有原公司來承擔，從而給公司帶來更大的損失。

現在越來越多的跨國公司開始將代工廠移至海外，從而導致產品被仿制的風險顯著增高。比如說代工廠的產品過度加工，即他們生產遠多于訂單量的產品并通過其他途徑把產品投放到公開市場中。這樣不僅會造成產品原始制造商在已銷售的產品上損失利潤，而且還會擾亂公司的銷售戰略，造成產品的局部產能過剩，最終危及到產品的整體利潤率。

例如，基于SRAM的FPGA讓IP竊取者們有機可乘。IP竊取者們通過逆向工程，也就是仿制一個電路板，然后通過技術手段截取基于SRAM的FPGA上電時的配置流信息，再將截取的配置流信息重新寫入新的FPGA中去。這樣，即使不了解FPGA中的設計初衷，也能將產品仿制出來并投放到市場中進行銷售。當然，這種問題也存在于未經過加密處理的需要從外部Flash芯片加載配置信息的FPGA芯片。

1 專利保護的神話

很多公司錯誤的認為通過申請專利保護是一種應對設計竊取的有效措施。雖然申請專利保護確實可以防止一些有知名度的公司去逆向設計一款產品，但是卻不能完全阻止設計竊取，況且這還受制于國家和地區的法律法規政策。IP竊取者們往往并不在乎法律法規的限制，實際上，這種事情多發生在不太重視甚至完全忽略IP保護的國家和地區。在一些尊重IP權利的國家和地區，即使可以對IP侵權者提出控告，但是這需要投入很多的時間和人力成本。假設侵權行為可以被很好的識別出來，原告方也可能不具備足夠的經濟實力去保證這樣一次訴訟。哪怕是贏得了對一個已經破產的公司的10億元經濟判罰，也無非是贏得了一場道德上的勝利。因為打了多年官司后發現，專利保護為你贏得了官司也僅限在經濟上提供微不足道的補償，更不用提時間成本上的損失。利用物理設計保護加申請專利保護來提高產品安全性不失為一種好辦法，尤其是在品牌保護層面。

2 產品篡改

盡管不少公司可能在IP產權保護上有很高的警覺性，但是針對產品設計保護的考慮不周還是會帶來很嚴重的問題。例如，1982年的9月29日至10月1日期間，美國芝加哥當地有部分居民服用了泰諾林后，發生了氰化物中毒事件，最終共造成7人死亡，這在當時引起人們廣泛的關注。事故調查清楚后，官方確認責任并不能完全怪罪在泰諾林的制造商身上，事故的真相是由于人們服用了假冒的泰諾林。盡管如此，泰諾林的制造商還是為此承受了巨大的經濟損失。在這個事件發生之后的一個月內，華盛頓的食品和藥物管理局共統計了270余起產品或者包裝篡改引起的糾紛。即使在今天，我們依然在使用泰諾林。但是我們可以發現明顯的不同：在今天的產品外包裝上我們會發現明顯的防偽標記和防篡改措施，哪怕是在再不起眼的藥物上—這都是當年的“泰諾林事件”造成的影響。這類問題在電子產品領域中更加棘手，隨著可編程半導體器件的大量出現，這種設計篡改往往更加隱蔽，更難被發現或者被定為。所以售后產品被篡改的問題已引起越來越廣泛的關注。這種篡改可能會導致監管或產品責任歸咎于原始制造商，并且更有甚者會影響公共安全。采取有效的設計安全措施即使不能消除也能大大地降低這種風險。

隨著科技的發展，產品的可重新配置能力已由固件擴展到了硬件本身，尤其是在可編程邏輯領域。然而不幸的是，這種靈活性又導致了新的問題：用戶現在可以重寫OEM的出廠設置，這有可能導致產品工作在有害甚至是危險的模式下。在一個愛打官司的社會中，如果一個消費者因此而受到傷害，產品的制造商極有可能會面臨一場不可避免的訴訟。

這種類型的產品設計篡改還會帶來其他的問題。例如，通過修改發動機電子控制器的設置可以給汽車帶來更強的動力，但同時會縮短發動機壽命并帶來汽車生產商的產品質保問題。由于消費者在提起訴訟前可以將產品的配置恢復成出廠模式，從而使問題定位更加困難，消費者可以規避自己的責任，而將責任歸咎于產品制造商。更有甚者，黑客們有能力修改關鍵服務產品和基礎設施的功能配置，如果他們是出于不可告人的目的，這將對使用者的生命安全帶來潛在的威脅。因此，產品被篡改可能已經成為制造商擔心的頭等問題，他們主要有以下幾方面的考慮。

（1）如何防止產品被篡改。

（2）能否確保產品不被變態者或者恐怖分子利用，從而導致無辜的人受害或者毀壞公司名譽。

（3）如何才能保護好客戶的身體健康和生命安全，以及公司的信譽。

（4）如果產品被篡改了，能否第一時間發現具體是哪里被篡改，而又是通過什么方式篡改。

3 產品設計安全實現

產品設計安全實現的方法有兩種：轉變設計思路和選用考慮設計安全的關鍵芯片。第一種，轉變設計思路是一種防止簡單的產品被篡改的方法。例如選用可編程邏輯芯片（通過內嵌軟處理器核）來替代基于處理器芯片的設計，設計者可以保留產品可重編程能力的靈活性的同時，降低存儲在FLASH存儲器中的程序被篡改的風險。第二種方法，選用考慮設計安全的關鍵芯片。隨著FPGA性能、容量與功能的不斷提升，今天的FPGA 已成為系統的心臟、知識產權的集合，所以如果FPGA存在安全性問題的話，與其相關的產品將遭受嚴重打擊。由于器件生產、現場更新和固件遠程重構的工作外包可能會導致FPGA中的設計信息被竊取。這是不可回避的問題，很多公司產品器件焊接、固化等都需要外包，這時候就更容易出現上述問題。即便生產所有流程都不外包，FPGA中的配置流信息也有被竊取的風險。例如，選用基于FLASH技術的FPGA來替代基于SRAM的FPGA，這樣，不僅可以保持產品設計的可重新編程能力的靈活性，也可以避免包含設計信息的比特流在加載過程中被竊取。由于基于FLASH技術的FPGA將編程信息集成在一個芯片中，去掉了產品在每次上電時從外部器件重新讀取配置信息的步驟。一旦被編程，基于FLASH技術的FPGA可以將配置信息一直保留到下一次被重新編程。

行業中的一些產品具有明顯的優勢，例如Actel的FlashLock技術，通過一個79到263位的密鑰來保護產品的設計信息。FlashLock技術甚至還允許用戶永久的鎖定芯片，禁止芯片的設計內容回讀。

還有一些基于Flash技術的FPGA提供配置信息流加密的選項（例如采用128位密鑰的AES加密技術），這些加密的配置信息再通過片內的解密芯片來解讀，從而為更高級的工業產品提高安全性。

如果還有更高的設計安全考慮，可以采用基于FuseLock技術的反熔絲FPGA芯片。由于沒有任何的配置信息加載，反熔絲FPGA可以避免被克隆。同時，反熔絲FPGA芯片也斷絕了通過光學設備探測編程信息的可能性。

上述基于FLASH和反熔絲的兩種技術，基本杜絕了產品被逆向工程破解和設計信息被篡改的可能性。更進一步講，由于產品編程可以在安全可控的環境里實現，編程文件的接觸范圍可以被嚴格的限制，因此可以防止未被授權的分銷商重建設計信息。

4 結論

欠缺設計安全考慮的產品不僅會面臨知識產權被竊取的風險，還往往會導致公司經濟上蒙受巨大的損失，以及產品被篡改而影響公司形象等負面問題。設計者可以通過轉變設計思路來消除或者降低上述風險，當然，更有效的措施是采用考慮設計安全的關鍵芯片來降低知識產權被竊取的風險。

[1]石必勝.數字網絡知識產權司法保護[M].北京：知識產權出版社,2016.11.

[2]王剛.反熔絲的研究與應用[J].材料導報，2011.

環球儀器攜先進汽車電子解決方案亮相德國慕尼黑電子展

環球儀器以“邁向高速生產”為題，將參加在11月14至17日于德國慕尼黑舉行的電子展（A2館433號展位）。環球儀器將在現場向觀眾演示其高度靈活的Uflex? 自動化平臺及FuzionSC?先進半導體封裝平臺，不單能應對各式各樣汽車電子組裝工藝，兼且表現卓越，成績斐然。

Uflex平臺可以應對復雜電子組裝工藝所需的多種不同工序。以汽車內的副駕駛位置乘員分類系統作為例子，這個裝置內含一個壓力傳感器、一個硅油填充囊、與及一個汽車專用單片機。在組裝過程中，Uflex平臺需要在墊片和密封膠上點膠，再在其上面及底部放上蓋子、將組裝線路板插進傳感器內、貼上標簽、及進行測試。Uflex平臺不單可以完美地執行這些工序，更能達致極高的質量，能完全滿足汽車行業嚴格的安全要求。

Uflex平臺的另一大好處是可以在客戶的生產車間內，現場進行重新設置，并配備用戶可以操作的電腦程序，能輕輕松松地把機器重新配置，以制造新的產品，給用家提供最高的投資保障。上述生產副駕駛位置乘員分類系統的多種工序，同樣適用于制造高級駕駛員輔助系統、自動駕駛系統、安全系統、與及各種各樣信息娛樂選項。

針封LED車前燈組裝上，環球儀器展示其專有的高精準LED組裝方案，即上部校準工藝。這套工藝給廠家提供一個經濟、精準、高速、可以重復組裝LED元件、與及確保精準地校準LED元件的解決方案，最終生產出更明亮及適應能力更強(顏色方向、強度)的車前燈。

上部校準工藝充分利用FuzionSC貼片機本身具備的精準度，再加上其配備的七軸FZ7?貼裝頭的群組拾取能力，實現無可比擬的產出水平。FuzionSC貼片機已經成功運用上部校準工藝，來進行CPV組裝、相機傳感器、與及激光器二極管應用上。

“我們提倡的解決方案，一直引領汽車電子制造潮流。”環球儀器市場副總裁Glenn Farris稱。“環球儀器預計柔性混合電子將驅動整個汽車電子市場的發展，我們已經為此準備就緒。

“FuzionSC貼片機結合Flexbond?熱壓焊接機，為柔板組裝提供了一個卓越的解決方案。這個組合可以實現一個高度靈活、高產出的整合解決方案，完成所有工序，包括焊劑轉移、高精度貼片及熱壓焊接。我們深信這些解決方案，可以推動汽車電子業的發展。”Farris續稱。

FPGA based design security

Liu Haitang
（Aeronautics Computing Technique Research Institute，Xi’an Shaanxi,710065）

Inadequate design security is emerging as one of the single largest threats to the products design of the modern world Consequences of inadequate design security can cause IP rights dispute,products tampering and products counterfeit, etc This paper introduces some ways to improve overall design security, which can lower or even eliminate the threats to products design

intellectual property;design protect;FPGA

劉海堂，1987年1月，男，籍貫山東青島，本科，工程師,研究領域:嵌入式計算機。