反熔絲FPGA在密碼芯片設計中的運用

　　詳細介紹了反熔絲FPGA在提高密碼芯片速度和對密碼算法進(jìn)行保護方面的應用，并給出了密碼算法芯片中部分模塊的實(shí)現方法。

　　1引言

　　隨著(zhù)計算機和通信的發(fā)展，信息傳輸過(guò)程中信息安全的重要性越來(lái)越受到人們的重視。在信息傳輸過(guò)程中，人們普遍采用將待傳輸的信息加密進(jìn)行傳輸，然后在收端進(jìn)行解密還原信息。對信息的加解密通常采用兩種方法：軟件加解密和硬件加解密。軟件加解密實(shí)現簡(jiǎn)單，但須對密碼算法進(jìn)行多重保護存放且加解密速度較慢，而硬件加解密可加快加解密運行速度。在當今信息網(wǎng)絡(luò )化的環(huán)境下，對加密的速度要求將越來(lái)越高，如：在A(yíng)TM、幀中繼、ISDN PRI等領(lǐng)域的加密，將會(huì )有數兆或數十兆以上的速度要求，所以硬件加密將是今后首選的加密手段。目前運用的硬件加解密，大都采用SRAM型的FPGA實(shí)現，必須外掛一EEPROM存儲加載FPGA的數據，這就為信息安全帶來(lái)了巨大隱患，特別是在運用于軍事、政府等部門(mén)的保密通信產(chǎn)品中。要求重要信息不得以明文的形式出現。另外，SRAM型FPGA速度較慢，延遲時(shí)間不定，也大大限制了它們在一些特殊場(chǎng)合下的運用。

　　2反熔絲FPGA的結構和原理

　　曾經(jīng)，人們?yōu)榱吮Ｗo芯片中的內容不能讀出而采取定制或半定制的辦法，但這種方法生產(chǎn)周期長(cháng)、不適合小批量生產(chǎn)。反熔絲FPGA的出現解決了人們的苦惱，大大方便了這種特殊應用的需要。目前，生產(chǎn)反熔絲FPGA芯片的廠(chǎng)家有QUICKLOGIC、ACTEL等幾家。其中，QUICKLOGIC公司的反熔絲FPGA在我國開(kāi)始大規模應用。

　　QUICKLOGIC公司的ViaLink反熔絲(Antifuse)結構是由四層金屬層和中間的覆蓋硅的鎢通道組成。覆蓋硅的鎢通道具有高電阻和高電容特性，起到金屬層之間絕緣層的作用，其電阻大于1千兆歐姆。但當編程電壓作用于被選擇的覆蓋硅的鎢通道時(shí)，硅將轉變成低電阻連接，其電阻小于50Ω。因為這種結構不同于SRAM型的FPGA，它沒(méi)有配置存儲器，因此

　　編程內容是不可能被讀出的，正是該種特性使得該系列芯片在保密通信領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

　　反熔絲FPGA對于大多數設計可提供實(shí)現較好的性能，這是由于其可編程鏈路的電阻較小(反熔絲接點(diǎn)電阻50Ω左右)，具有較好的布線(xiàn)靈活性，不會(huì )妨礙信號傳送，并以最直接

　　的通路進(jìn)行，因而可大大提高芯片速度。眾所周知，隨著(zhù)工藝的改進(jìn)，SRAM型FPGA其觸發(fā)器翻轉速度已經(jīng)做得很高，而芯片的速度仍然受限，其原因是信號在芯片內傳輸過(guò)程中所

　　耗時(shí)間占整個(gè)時(shí)延的60%左右，這就限制了整個(gè)芯片的速度。

　　目前，雖然反熔絲FPGA單片密度較SRAM FPGA的單片密度低，但對于大多數反熔絲FPGA在如下方面仍占領(lǐng)先的地位：布線(xiàn)結構的靈活性，使軟件工具能夠較容易的實(shí)現自動(dòng)的布局、布線(xiàn)，且修改設計時(shí)，即使重新布線(xiàn)也可保持原配置的輸出管腳不變。同時(shí)，在反熔絲FPGA之中的設計修改通常能保證在時(shí)延上變化很少，這是因為布線(xiàn)改變時(shí)所需的附加的可編程鏈路的時(shí)延增加不多。另外，反熔絲FPGA還具有功耗低、抗輻射能力強，耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)。

　　因此，反熔絲FPGA的特性使得其在保密通信產(chǎn)品中具有特殊的應用。充分利用反熔絲FPGA的特性，可提高密碼算法芯片的加解密速度，同時(shí)利用反熔絲FPGA的編程內容不能讀出，保護密碼模塊中的主算法，避免了其他的物理保護，從而提高了系統的安全性。