低功耗安全嵌入式处理器芯片的基础理论与关键技术

The demands for the security of embedded systems are becoming more and more increasing for the widely application in national defense，and application in the field of national economy on network. Security threats, such as software vulnerabilities, tampered data and code, etc., are getting into more and more serious. This research project focuses on the basic theory and key technologies of the low power and security embedded processor, which ensure the security of the embedded system with a continuously lower energy cost. Through static and dynamic program analysis mostly, a new monitoring parameter model and coupled parameters model are optimized and generated; By integrity verification algorithm of lightweight hash function, the executable file is marked, and the integrity monitoring model is established; Propose a relatively new algorithm of monitoring and its hardware implementation, the real-time monitoring system is built during program execution; optimize the design for program to restore function, and ensure the normal execution of the program when the system was attacked. To optimize the power cost, a TB-RM dual-logic structure is proposed accompanied with multi-level collaborative power optimization method. Build SoC platform and then tape out a processor, selecting the popular attack code, the benchmark program, the detection system monitoring sensitivity and resource consumption are verified..The research results of this project will provide a solid the theoretical basis and key technologies for developing the low power and security processor which has proprietary intellectual property rights. Meanwhile, they will guarantee the urgent demands for information security of state-building.

嵌入式系统正广泛用于国防和国民经济领域的网络化应用中，对安全要求日益迫切。软件漏洞、数据代码被篡改等，已成为严重的安全威胁。本项目研究低功耗安全嵌入式处理器芯片的基础理论与关键技术，在保证嵌入式系统安全性的同时，不断优化降低功耗。主要通过静态和动态程序分析，优化生成监控参数及耦合参数模型；通过轻量级密码杂凑函数完整性验证算法标记可执行文件，建立完整性监控模型；提出监控比较算法并硬件化，实时监控系统程序执行；优化设计程序恢复功能，确保系统遭到攻击时程序的正常执行；采用TB-RM双逻辑结构和系统多层次协同方式优化功耗；设计低功耗安全嵌入式处理器的SoC验证平台，并进行流片验证，通过选用流行的攻击代码、测试基准程序，检测系统安全性及资源消耗等功能。.本项目的研究成果将为研制具有自主知识产权的国产低功耗安全处理器芯片提供坚实的理论基础与关键技术，为国家建设提供急需的信息安全保障。

嵌入式系统正广泛用于国防和国民经济领域的网络化应用中，对安全及功耗要求日益迫切。软件漏洞、数据代码被篡改等，已成为严重的安全威胁；功耗问题也已成为系统性能进一步提升的瓶颈。.本项目深入系统地研究了低功耗安全嵌入式处理器芯片的基础理论与关键技术，在保证安全性的同时，不断优化系统功耗。.基础理论方面：建立了系统监控模型，优化了程序执行过程的数据、代码和控制流等状态参数或耦合参数，实现了从函数级、基本块级到指令级等不同粒度的监控；设计了一种安全性好、功耗和资源消耗低的轻量级密码杂凑函数，作为完整性验证算法；建立了双逻辑低功耗模型和系统多层次协同功耗模型。.关键技术方面：完成了安全嵌入式处理器体系结构研究，采用轻量级密码杂凑函数完整性标记方法，分别对静态和动态信息进行标记及验证；设计了系统综合监控结构，提取能反映程序执行行为及安全敏感的相关参数，硬件实现了程序数据和代码完整性监控；设计了系统快速安全恢复结构。从逻辑探测、极性转换、极性搜索和功耗估计等阶段，优化了TB-RM双逻辑电路功耗；基于深度学习，实现了多层次协同功耗优化设计。.建立了原型验证系统，包括基于FPGA和系统芯片的验证系统。通过选用流行的攻击代码、测试基准程序，测试了系统安全性及资源消耗。验证结果表明，安全模块占整个SoC硬件资源的13%，系统性能损失低于3.45%；完成了SMIC CMOS 0.18μm 1P6M工艺下的版图设计，主频100MHz，150万门规模；对处理器的安全控制应用进行了探索，研制了多模复合安全制导的验证系统。.本项目取得了基础理论，关键技术，以及应用拓展方面研究成果(已发表SCI论文42；EI论文80篇；国家发明专利申请20项，已获批8项；软件著作权已获批5项。国际顶级论文2篇: J of Solid-State Circuits，J of Cryptology)，已获得了中国计算机学会科技进步一等奖，培养了“万人计划”的领军人才等高层次专业人才，为研制具有自主知识产权的国产低功耗安全处理器芯片提供坚实的理论基础与关键技术，力争为国家建设提供急需的信息安全保障。