基于RSA算法的电子系统认证芯片的物理设计

论文摘要

当今电子产品行业盗版/仿冒现象极为普遍。为了对所开发的电子产品进行保护，防止被不法厂商克隆、复制，采用ASIC的方法设计基于硬加密技术的电子系统认证芯片。将该电子系统认证芯片嵌入到电子产品中，主机与芯片以密文的方式进行通信，收到正确的反馈后，电子系统才能正常工作。该电子系统认证芯片采用密钥为1024bit的RSA解密算法，可以保证安全性的要求；采用I2C总线与主机进行通讯，具有接口兼容性好、接口信号线少等优点，可以使芯片广泛应用于如数字机顶盒、IC智能卡等多种场合中。在前端导出可测性门级网表的基础上，采用SMIC0.18μm CMOS工艺，以实现面积优化、时序收敛、功耗满足要求为目标，在Cadence SoC Encounter平台上进行版图设计。首先，以75%的利用率对芯片进行了预设计，进行了粗略的布图规划（电源规划时仅设计了宽度为10μm的电源环），并进行了布局、时钟树综合、详细布线等步骤。对预设计的布线拥塞情况、时序和功耗进行分析的结果表明：芯片中布线拥塞情况并不严重，时序收敛，预估功耗值为121.46mW，但是芯片中存在电压降和电迁移的违规。接着，根据预设计的分析结果，在正式设计时将芯片的利用率提高到80%，面积比预设计时减小了约0.09mm2。为了解决预设计中存在的电压降和电迁移违规，对该电子系统认证芯片进行了详细的电源规划，设计了宽度为17μm的双层电源环，并且设计了7对纵向电源条和3对横向电源条，使得最终的芯片满足电压降和电迁移的要求。在整个版图设计的过程中，采用时序驱动设计流程，并且贯穿着静态时序分析，以保证各个阶段的设计均符合时序收敛的原则。进行版图设计之后，采用Calibre工具对该电子系统认证芯片进行物理验证，包括设计规则检查（DRC）、天线规则检查、电气规则检查（ERC）和版图与原理图一致性检查（LVS）。针对存在的问题，进行相应的修改后，最终通过了物理验证，并成功地导出了GDSII文件。另外，为了保证在版图设计过程中该芯片逻辑功能的正确性，采用Formality对芯片进行了逻辑等效验证，最终通过了逻辑等效验证。本论文完成了基于RSA算法的电子系统认证芯片的物理设计，最终的设计满足时序收敛、功耗要求以及可制造性的要求。该电子系统认证芯片实现了以下指标：时钟频率为44MHz，芯片面积约为3.53mm2，功耗为121.87mW。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 电子系统保护的意义
• 1.1.2 电子系统保护方案
• 1.2 课题发展现状
• 1.2.1 电子系统认证芯片的发展现状
• 1.2.2 加密算法的发展现状
• 1.2.3 集成电路的发展现状
• 1.3 本文研究内容及结构安排
• 第二章 电子系统认证芯片前端设计概述
• 2.1 RSA 算法原理
• 2.1.1 RSA 算法中公钥和私钥的产生
• 2.1.2 RSA 算法的加解密过程
• 2.1.3 RSA 算法的硬件实现
• 2.2 系统总体架构
• 2.3 电子系统认证工作流程
• 2.4 前端设计综合结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 电子系统认证芯片的版图设计
• 3.1 版图设计基本流程介绍
• 3.1.1 设计平台介绍
• 3.1.2 版图设计基本流程
• 3.2 布图规划
• 3.2.1 设计导入
• 3.2.2 确定芯片信息
• 3.2.3 芯片 I/O 规划
• 3.2.4 模块放置
• 3.2.5 电源规划
• 3.3 布局
• 3.3.1 标准单元的放置
• 3.3.2 扫描链重组
• 3.4 时钟树综合
• 3.4.1 时钟信号的特性参数
• 3.4.2 时钟树综合前的准备
• 3.4.3 时钟树综合方法与结果
• 3.5 布线
• 3.5.1 全局布线
• 3.5.2 详细布线
• 3.6 静态时序分析和优化
• 3.6.1 静态时序分析
• 3.6.2 时序优化
• 3.6.3 静态时序分析结果
• 3.7 功耗与信号完整性分析
• 3.7.1 功耗分析
• 3.7.2 电压降分析
• 3.7.3 电迁移分析
• 3.7.4 串扰分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 电子系统认证芯片的物理验证
• 4.1 设计规则检查
• 4.1.1 导出 GDSII 文件
• 4.1.2 DRC 结果与解决方法
• 4.2 天线规则检查
• 4.3 电气规则检查
• 4.4 版图与原理图一致性检查
• 4.4.1 Spice 网表文件的准备
• 4.4.2 版图添加标签
• 4.4.3 LVS 结果
• 4.5 等价性验证
• 4.6 本章小结
• 结论
• 一、本文结论
• 二、本文特色
• 三、展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文