解读FPGA设计的安全性

与开发成本很高的ASIC相比，FPGA可重复编程的性能正受到系统设计者的青睐。此外， FPGA的性能和功能也越来越强大，包括32位软处理器、SERDES、 DSP块和高性能的接口。现在的低成本FPGA甚至可以满足大批量的应用。设计人员采用FPGA能够快速开发产品，以应对产品快速上市（市场要求缩短产品的开发时间）和远程更新的需求。
　　但是，把器件生产、现场更新和固件远程重构的工作外包可能会导致FPGA被复制、克隆或盗版。这对某些企业是个严重的问题，因为有些算法对企业保持竞争优势是必不可少的，而外包可能使这些算法被别人利用。因此，考虑FPGA设计的安全性是一件非常重要的事。
　　FPGA有两种类型 ：基于SRAM、需要用外部引导器件配置的易失FPGA，以及将配置保存在内存中因而不需要外部引导器件的非易失FPGA。基于 SRAM的FPGA是易失器件。如果切断电源，配置即被删除，必须对器件进行重新配置，然后器件才能工作。这类器件可以用处理器或使用SPI或并行闪存通过JTAG端口编程。就安全性而言，它们是很脆弱的。一旦系统上电，盗版者就能轻而易举地获取FPGA的位流。 Flash和反熔丝FPGA是非易失性的器件，它们上电后即可编程，无需使用任何外部存储器。这些非易失器件拥有最高级别的安全性。但是，反熔丝FPGA受到两个方面的制约： 1 ）它们不能再次编程。2 ）它们的性能和内存容量有限。而Flash FPGA和SRAM FPGA是可以重复编程的。
　　盗版行为分为几种类型：“克隆”复制系统元件的行为，甚至不必知道内部的逻辑。通过拦截FPGA的位流和复制配置，可以轻松地克隆一个低成本SRAM FPGA。“逆向工程”需要理解FPGA的逻辑功能，以便进行修改以满足盗版者的需要。盗版者可以分析无保护的位流以复制原先的设计，或解剖器件分析其内容。还有一个被广泛使用的盗版手段是“生产超过客户订购量的系统”，然后向市场出售多余的系统，而专利持有者却无法从中取得收益，没有任何方法可以阻止不择手段的分包商这样做。最后一种盗版方法是“盗窃服务”，盗版者通过破解系统的安全设置来获得特定的服务，如收看卫星电视节目。
　　打击盗版可以采用多种安全措施，最简单的方法的是使用一个保密位，防止FPGA的配置数据被截获。有了这个保密位，盗版者如果试图读取配置数据，读出的数据将全部为零。所有的FPGA都有这种类型的保护。然而，如果引导文件位于器件的外部，相对就比较容易复制配置，标准的SRAM FPGA就是这种情况 。如果配置数据是在器件内部，如非易失FPGA ，保密位就会有很好的保密效果。
　　与反熔丝FPGA不同 ，SRAM FPGA和Flash FPGA是可重复编程的，它们允许用户调整设计或赋予FPGA一个全新的功能。此外，现在甚至可以远程修改FPGA配置文件，从而修改系统。虽然重构对某些应用来说是个优点，但它也可能成为一个安全隐患，因为盗版者可能拦截并获取新的码流。不过这可以通过在传输时保护位流来解决。
　　虽然Flash FPGA比SRAM FPGA更安全 ，它们也有缺点。它们的密度和存储容量有限，功能和I/O的速度也有限。
　　针对这些缺点，莱迪思半导体公司已经开发出一种创新的技术，它结合了以下两种技术的优点：
　　* 性能和存储器容量较大的低成本SRAM
　　* 可以内部存储重构数据的Flash
　　莱迪思独特的flexiFLASH技术，将SRAM和Flash整合在同一个FPGA中，可以同时实现以下几个方面的优点：
　　* 位流配置
　　* 以最短的系统中断时间进行远程重新配置
　　* 数据保护和器件加锁
　　复杂系统中的设计安全性
　　工程师正面临着构建日益复杂的系统的挑战。
　　
　　图1 FPGA与微处理器相连的系统
　　图1展示了一个FPGA与微处理器相连的系统 。微处理器通过一个外部PHY和一个集成在FPGA内的MAC 与以太网连接。与竞争者的产品不同，这个微处理器中还包含用户逻辑。 FPGA通过一个Flash来配置。Flash和RAM中包含有微处理器的程序和系统的数据。如果系统需要更新，就通过以太网来发送数据。为了保护设计， FPGA数据和位流都经过了加密。但是，发送到微处理器的数据和指令未加扰，因此盗版者能够查看此数据并加以复制。一种可能的解决办法是在FPGA内实现软微处理器，它可以访问FPGA的内部存储器组，而从外部却无法看到存储器组。这些存储器组可以用来存储重要的算法和数据。
　　
　　图2 处理器集成在FPGA之中
　　图2展示了同一个设计，但处理器集成在FPGA之中。图2中采用的软微处理器是LatticeMico32 。设计师构建了解扰器，因此加扰是机密的。使用解扰器允许加密的指令存储在外部存储器。为了加密位流，莱迪思为几款FPGA提供了128位AES密钥。
　　
　　图3 用128位AES密钥保护设计
　　首先，工程师应用莱迪思的软件设计工具套件ispLEVER （ 7.0或更高版本）开发FPGA代码，完成综合、映射、布局布线和仿真后，产生位流，经最后验证后再用ispVM系统（ 莱迪思的编程工具）对电路板编程。当设计师对系统的功能感到满意时，此时就要来做保护设计的工作。可以用莱迪思的ispLEVER工具或莱迪思的编程工具ispVM System对位流加密，用户可选择128位密钥。编码的位流可以是十六进制（从0至F ，不区分大小写）或一个ASCII密钥（可用所有字母数字字符和空格，大小写敏感），然后使用任何非加密的文件编码将该位流加载到配置存储器中。
　　现在密钥应该已经保存在一个可编程存储区。编程是通过器件的JTAG端口进行。应该注意到，用密钥对位流加了密，现在只能通过加密的位流对FPGA进行配置。用sysCONFIG接口或JTAG接口可以对莱迪思的FPGA进行编程。该sysCONFIG接口可以让用户使用集中配置模式，或Flash SPI ，或以并行的方式使用并行配置模式重新输入数据。符合IEEE 1149.1和IEEE 1532标准的JTAG端口允许以突发位流（或快速编程）模式、或用1532模式对数据进行编程。JTAG端口用来对器件中的AES 128位密钥编程。不需要用特别的模式来保存FPGA中的128位密钥。