基于電磁旁路分析的芯片聚類研究

劉俊延 ，賈永杰 ，李雄偉*，張 陽

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 裝備模擬訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050003；2.中國人民解放軍93498部隊(duì)，河北 石家莊 050003)

0 引言

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路芯片被廣泛應(yīng)用于金融、通信、交通、軍事等關(guān)鍵領(lǐng)域并在電子設(shè)備與系統(tǒng)中起到核心的作用。但由于芯片供應(yīng)鏈的全球化發(fā)展以及利益的驅(qū)使，全世界各地都充斥著假冒偽劣芯片的蹤影[1]。其存在形式可以被簡單地劃分為：以次充好、以舊充新、以假充真3種情況[2]，這些芯片或多或少在硬件層面上與正品芯片存在著一定的差異。一旦這些假冒偽劣芯片在使用時(shí)出現(xiàn)安全問題或故障，極有可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至更嚴(yán)重的后果。因此，如何對(duì)芯片進(jìn)行有效檢測，以確保其安全性與可靠性具有重大的研究意義。

然而，假冒偽劣芯片與正品芯片的差異通常難以被察覺，在沒有“金片”[3]的情況下，很難通過常規(guī)手段識(shí)別出二者之間的差異。目前，有很多不同的測試方法可以檢測芯片中的各種異常情況。檢測方法根據(jù)問題的性質(zhì)而有所不同。傳統(tǒng)的芯片檢測方法主要可以分為兩大類：物理檢測方法和電氣檢測方法[4]。物理檢測方法中，電子掃描、X射線和紅外光譜分析是目前最準(zhǔn)確、最可信的檢測方法，但是檢測設(shè)備昂貴,測試時(shí)間長；封裝分析等開封芯片的檢測方法會(huì)對(duì)芯片造成不可逆的損壞。這些方法不能對(duì)大批量的芯片進(jìn)行逐一檢查，多用于抽樣檢測。電氣檢測包括參數(shù)測試、燒機(jī)測試、功能測試等方法，盡管電氣檢測方法具有非破壞性和時(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)，但這些檢測工作都依賴于人的規(guī)范操作，并且對(duì)于復(fù)雜的集成電路芯片，在原始廠商測試手冊(cè)和設(shè)備缺失的情況下，該檢測方法無法實(shí)施。因此，近年來有許多學(xué)者提出從旁路信號(hào)[5]分析的角度來達(dá)到檢測芯片的目的。旁路信號(hào)包括功率、電磁、紅外等側(cè)信道。其中，電磁旁路信號(hào)在硬件檢測和密鑰攻擊等領(lǐng)域備受青睞[6-7]。電磁旁路是與芯片瞬態(tài)活動(dòng)有關(guān)的非接觸式側(cè)信道，它受到技術(shù)、布局和布線、代碼、內(nèi)部濾波、封裝、溫度和老化等眾多電路參數(shù)影響，對(duì)它們進(jìn)行任何修改都將會(huì)導(dǎo)致電磁信號(hào)的變化[8]。

目前，基于電磁旁路信號(hào)的芯片檢測方法面臨兩大棘手的問題。一方面，假冒芯片的信號(hào)差異可能小到被工藝誤差或環(huán)境噪聲所掩蓋；另一方面，目前絕大多數(shù)的檢測方法是在已經(jīng)獲取“金片”的前提下進(jìn)行的。基于以上分析，本文提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片聚類模型。首先利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信息量龐大的原始信號(hào)進(jìn)行有效的除噪、特征提取和降維等操作，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的自主學(xué)習(xí)、特征提取和模式識(shí)別等功能。然后借助自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把芯片聚類成簇。當(dāng)芯片被分成不同的組后，就能夠采用其他替代技術(shù)[9](例如電子掃描、逆向工程等可信度高的檢測手段)對(duì)每組中單個(gè)或多個(gè)樣本進(jìn)行仔細(xì)檢查，以達(dá)到確認(rèn)芯片真實(shí)性的最終目的。

1 聚類模型與算法設(shè)計(jì)

本文提出的芯片聚類模型能夠用于無“金片”情況下的芯片檢測，其核心思想是利用卷積自動(dòng)編碼對(duì)離散的旁路信號(hào)進(jìn)行特征提取，再通過全連接層的自動(dòng)編碼器進(jìn)一步對(duì)特征降維，最后把特征向量輸入自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類，芯片聚類示意如圖1所示。

圖1 芯片聚類示意

1.1 特征提取

原始的電磁信號(hào)采樣點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大，包含了大量的無用和冗余信息，直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分析會(huì)降低結(jié)果的準(zhǔn)確性，且效率極低。因此需要從原始信號(hào)提取出更具有代表性的特征向量集合。自動(dòng)編碼器作為一種無監(jiān)督的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常被應(yīng)用于特征提取、數(shù)據(jù)降維和去噪等場景[10]。最簡單的自動(dòng)編碼器可以由一個(gè)輸入層、一個(gè)隱層和一個(gè)輸出層構(gòu)成，通過輸入層到輸出層的數(shù)據(jù)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)學(xué)習(xí)隱含特征的目的，其中隱層作為輸入數(shù)據(jù)提取出的特征。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前半部分為編碼器，后半部分為解碼器。式(1)描述了自動(dòng)編碼器的訓(xùn)練過程：

(1)

式中，h和g分別為編碼器與解碼器的映射函數(shù)；θ為其內(nèi)部的訓(xùn)練參數(shù)。自動(dòng)編碼器與主成分分析(Principal Components Analysis ，PCA)方法相似，二者都是無監(jiān)督學(xué)習(xí)中的代表性方法，但是比PCA性能更強(qiáng)且更為靈活，PCA無法表征非線性的變化，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中非線性激活函數(shù)，自動(dòng)編碼器能夠?qū)Ω鼮閺?fù)雜的數(shù)據(jù)執(zhí)行非線性變換，從而學(xué)習(xí)到比PCA等技術(shù)更有意義的數(shù)據(jù)投影[11]。

由于電磁信號(hào)屬于時(shí)間序列信號(hào)，本文使用卷積層、上采樣層和池化層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全連接層，以避免損失信號(hào)中的序列信息并且能夠解決信號(hào)不對(duì)齊的問題。本文搭建的卷積自動(dòng)編碼器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卷積自動(dòng)編碼器結(jié)構(gòu)

由于電磁信號(hào)的幅值范圍在[-1,1]區(qū)間內(nèi)，為保證輸出信號(hào)能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的完美重構(gòu)，最后一層卷積層的激活函數(shù)采用tanh函數(shù)：

(2)

其余的激活函數(shù)則采用relu函數(shù)，以防止過擬合并減少梯度消失：

(3)

本文的提取特征被分為2個(gè)階段：第一階段如圖2所示，編碼過程使用卷積層和池化層提取原始信號(hào)中的特征，解碼階段使用上采樣層和卷積層實(shí)現(xiàn)編碼層的信號(hào)重構(gòu)；第二階段為全連接層的自動(dòng)編碼器，通過把第一階段編碼層提取的特征展平作為第二階段的輸入，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的特征提取和降維。中間隱層的數(shù)據(jù)作為整個(gè)卷積自動(dòng)編碼器提取的最終特征：

(4)

通過自動(dòng)編碼器的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)量龐大的原始信號(hào)最后在編碼層輸出為10維的特征向量，由于卷積核的參數(shù)共享性，大量節(jié)省了特征提取所消耗的時(shí)間。由于本文的自動(dòng)編碼器僅用于特征提取，在自動(dòng)編碼器訓(xùn)練完成后，只保留其編碼器部分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將編碼器的輸出層與后續(xù)用于聚類的自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層拼接起來，形成一個(gè)自動(dòng)化的芯片聚類網(wǎng)絡(luò)模型。

1.2 自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

提取到原始信號(hào)經(jīng)過壓縮的特征向量后，需要對(duì)其進(jìn)行聚類識(shí)別。自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種無監(jiān)督競爭型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其作用是將樣本集根據(jù)相似度進(jìn)行聚類，這些類稱之為簇。該類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常只有2層，一層是輸入層，一層是競爭層，2層之間神經(jīng)元雙向連接，競爭層之間橫向連接，方便獲勝神經(jīng)元對(duì)其臨近神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的內(nèi)星權(quán)向量進(jìn)行調(diào)整。本文搭建的自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

輸入層神經(jīng)元數(shù)為特征向量個(gè)數(shù)，接收來自編碼器的輸出數(shù)據(jù)。競爭層采用50×50的平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠從芯片聚類結(jié)果反映出一定的實(shí)際物理意義，競爭層神經(jīng)元越密集，對(duì)數(shù)據(jù)越敏感，但是訓(xùn)練參數(shù)也會(huì)越多，時(shí)間會(huì)更長。

每個(gè)競爭神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)與輸入層之間的權(quán)值為該節(jié)點(diǎn)的內(nèi)星權(quán)向量如圖4所示。

圖4 內(nèi)星權(quán)向量

向輸入層輸入經(jīng)過歸一化的特征向量，通過與競爭層所有神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)經(jīng)過歸一化后的內(nèi)星權(quán)向量做內(nèi)積，尋找到獲勝的競爭節(jié)點(diǎn)：

Y=XW，

(5)

式中，X為輸入的10維特征向量；Y為競爭層輸出值，取值范圍[0,1]，可以理解為2個(gè)向量之間的夾角余弦值，該值越大說明余弦相似度越高；W為輸入層到競爭層之間的權(quán)重矩陣(10×(50×50))；之所以要進(jìn)行歸一化處理是為了方便計(jì)算特征向量與內(nèi)星權(quán)向量相乘正好為二者的夾角余弦值：

(6)

在50個(gè)競爭神經(jīng)元Y=[Y1,Y2,...,Y50]中，最大值對(duì)應(yīng)優(yōu)勝神經(jīng)元。通過調(diào)整優(yōu)勝鄰域內(nèi)競爭神經(jīng)元的內(nèi)星權(quán)向量，能夠防止某些始終無法獲勝的競爭神經(jīng)元變?yōu)椤八郎窠?jīng)元”：

Wn+1=Wn+η×(X-Wn)，

(7)

式中，W為競爭神經(jīng)元的內(nèi)星權(quán)向量；η為學(xué)習(xí)步長，一般而言，學(xué)習(xí)步長要隨著迭代次數(shù)上升而逐漸變小，這樣能夠在一開始迅速捕捉到輸入特征的大致結(jié)構(gòu)，隨后精細(xì)化地調(diào)整權(quán)重達(dá)到學(xué)習(xí)輸入特征的目的。本文的學(xué)習(xí)率由迭代次數(shù)和優(yōu)勝鄰域共同決定：

(8)

式中，n為迭代次數(shù)；nm為預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)；a為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邊長。

優(yōu)勝鄰域隨著迭代次數(shù)上升，鄰域范圍逐漸收縮，使得競爭層中的相鄰神經(jīng)元存在一定的相似性而又不同：

(9)

自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類算法的步驟描述如下：

① 初始化競爭神經(jīng)元內(nèi)星權(quán)向量；

② 對(duì)輸入的特征向量和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)向量進(jìn)行歸一化處理；

③ 從打亂的訓(xùn)練集中隨機(jī)抽取訓(xùn)練樣本輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

④ 通過競爭層輸出值得出獲勝的競爭節(jié)點(diǎn)，并求得獲勝節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)域和用于更新內(nèi)星權(quán)向量的學(xué)習(xí)率；

⑤ 對(duì)優(yōu)勝節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)競爭節(jié)點(diǎn)的內(nèi)星權(quán)向量進(jìn)行調(diào)整，使之更加接近于特征向量；

⑥ 判斷結(jié)束條件，未達(dá)到結(jié)束條件則重復(fù)步驟②～⑤；

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取3種不同型號(hào)但功能特性極其相似的8051系列單片機(jī)芯片(STC89C52RC 40I、STC89C52RC 40C和AT89S52)各10塊。其中，STC89C52RC 40I和STC89C52RC 40C分別是宏晶公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)和商品級(jí)芯片；AT89S52是Atmel公司生產(chǎn)的一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，同上述2款芯片相同，都是8051核；為了保證充足的訓(xùn)練樣本，每塊芯片采集10條信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建如圖5所示，采用DH1719A-3穩(wěn)壓電源供電，CRUX-A微動(dòng)控制器對(duì)采集平臺(tái)進(jìn)行控制，將LANGER RF-B 3-2型電磁探針采集到的電磁信號(hào)和EMV-Technik電壓探頭采集到的觸發(fā)信號(hào)傳入Tektronix數(shù)字示波器，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行分析和后續(xù)操作。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 旁路信號(hào)采集

在芯片內(nèi)部寫入特定代碼，控制示波器分別采集3種芯片在電壓觸發(fā)信號(hào)下降沿至上升沿期間執(zhí)行MOV A，#DATA指令向外輻射的電磁信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)保存。3種不同型號(hào)的芯片信號(hào)采集情況如圖6所示。

(a) AT89S52信號(hào)采集

2.2.2 特征提取

將這3種芯片的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 000個(gè)采樣點(diǎn)的離散信號(hào)并作為卷積自動(dòng)編碼器的輸入，隱層輸出的10個(gè)數(shù)據(jù)作為自動(dòng)編碼器學(xué)習(xí)到的隱含特征。卷積自動(dòng)編碼器訓(xùn)練過程如圖7所示。

圖7 卷積自動(dòng)編碼器訓(xùn)練過程

當(dāng)損失函數(shù)收斂時(shí)，自動(dòng)編碼器訓(xùn)練完成。輸出層重構(gòu)信號(hào)與輸入信號(hào)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)越逼近1，說明重構(gòu)信號(hào)還原度越高，特征提取效果越好。3種芯片的信號(hào)重構(gòu)效果如圖8所示。

(a) AT89S52信號(hào)重構(gòu)

卷積自動(dòng)編碼器(CAE)與傳統(tǒng)的自動(dòng)編碼器(AE)信號(hào)重構(gòu)效果對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 信號(hào)重構(gòu)對(duì)比

2.2.3 聚類

自動(dòng)編碼器完成訓(xùn)練后，把輸出值作為特征向量輸入自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，通過自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，把相似度高的特征向量聚類成不同的簇。實(shí)驗(yàn)對(duì)3種不同密集程度的競爭層進(jìn)行研究，聚類結(jié)果如圖9所示。

(a) 5×5拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

聚類結(jié)果顯示，競爭層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)聚類效果影響較大。當(dāng)競爭層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，不易區(qū)分出相近的特征向量。采用更加密集的競爭層能夠?qū)ο嗨贫雀叩男酒行^(qū)分，但也會(huì)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更多，計(jì)算量更大。

為驗(yàn)證聚類模型(CAE-SOM)的優(yōu)越性，本文與其他的組合方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法聚類結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M情況中，假定是不知道每一簇所對(duì)應(yīng)類別的，本文用A、B、C分別表示聚類結(jié)果的3簇。分析表中數(shù)據(jù)可以看出,在沒有進(jìn)行特征提取的方法1中，對(duì)原始數(shù)據(jù)直接采用K-Means方法進(jìn)行聚類，結(jié)果不能對(duì)同廠芯片進(jìn)行有效區(qū)分，并且還把AT型的芯片錯(cuò)分成2簇。在方法2中加上PCA的特征提取和降維之后，結(jié)果仍然沒有太大變化。當(dāng)在方法3中引進(jìn)自組織映射網(wǎng)絡(luò)之后，聚類效果有所改善，但由于特征提取效果不佳，同廠芯片之間的差異無法有效區(qū)分。最后方法4采用本文的(CAE+SOM)模型進(jìn)行聚類，其效果遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法。

3 結(jié)束語

針對(duì)無“金片”情況下的芯片檢測問題，本文提出了基于電磁旁路信號(hào)的芯片聚類模型(CAE-SOM)，利用自動(dòng)編碼器自動(dòng)學(xué)習(xí)信號(hào)數(shù)據(jù)中的隱含特征，自動(dòng)編碼器訓(xùn)練完成后，只留下編碼器結(jié)構(gòu)，把編碼器的輸出結(jié)果輸入自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類成簇。一體化的聚類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型簡化了人工操作等繁瑣的步驟，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該聚類模型能夠在無監(jiān)督的條件下以更高的精度對(duì)芯片完成聚類，其準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于其他方法。為進(jìn)一步提升模型的準(zhǔn)確率，應(yīng)當(dāng)提取出更具有表征性的特征，并考慮采用特征融合等手段實(shí)現(xiàn)。