李雄偉，馬佳巍，張 陽，孫 萍

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.解放軍61785 部隊，北京 100075）

0 引言

集成電路（ICs，Integrated Circuits）芯片在軍事、金融、交通、通信等領域都有著廣泛應用，是現(xiàn)代信息社會的基石。隨著IC 供應鏈的全球化發(fā)展，其設計、生產、封裝、測試、分銷等眾多環(huán)節(jié)需要由多個非可信公司共同完成，使得偽集成電路芯片（Counterfeit IC，簡稱偽芯片）威脅日益突出［1］。偽芯片是指與原廠正品芯片存在一定差異的芯片，包括以假充真、以次充好、以舊充新等形式，嚴重影響系統(tǒng)的安全性和可靠性。據美國國防部報告，其在P8A 偵察機、阿帕奇直升機等武器系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了偽芯片［2］，可能導致飛機墜毀、導彈失效等嚴重后果［3］。我國亦深受偽芯片之害，打磨芯片、翻新芯片等案例層出不窮［4］。據統(tǒng)計，偽芯片每年造成的損失高達千億美元［5］。

對于偽芯片問題，美國高度重視，其國防先進研究計劃局（DARPA）啟動了“SHIELD”計劃［6］，為國防電子元件供應鏈提供安全防護，以有效應對偽芯片的挑戰(zhàn)。美國國防部于2013 年5 月提議修訂《國防聯(lián)邦采購條例補編》［7］，提議按照規(guī)定實施2012 年國防授權法案（NDAA）第818 節(jié)和2013 年的第833 條，法案要求國防承包商檢測和預防偽芯片［8］。該提案未涉及到的偽芯片核心問題和未明確說明的內容在2014 年［9］和2016 年［7］得到大量的補充與修改，在最終修訂規(guī)則的相關條款中，美國國防部要求所有向政府提供芯片的承包商必須采取主動措施以識別和防止偽芯片進入國防供應鏈。同時，美國G-19 偽電子元件委員會起草了多部相關標準，主要包括：

AS5553B-2016：偽電子元件：預防、檢測、應對與處置；

ARP6178：偽電子元件：分銷商安全評估工具；

AS6081：偽電子元件：預防、檢測、應對與處置-獨立分銷商；

AS6496：偽電子元件：預防、檢測、應對與處置-授權分銷商；

AS6171：偽電子元件測試標準。

由此可見，為了應對偽芯片威脅，美國從政府、科研、工業(yè)等多個方面采取措施，多管齊下，重視程度可見一斑。與之相比，偽芯片問題在我國尚未引起足夠重視，對國內相關文獻進行整理可以發(fā)現(xiàn)，目前我國相關法規(guī)及相關學術研究均屬空白。為此，本文對偽芯片相關研究進行分析，以推動我國相關研究的發(fā)展。

1 偽芯片分類

偽芯片的一般特征包括［1］：1）非授權的拷貝；與原始設計、模式、性能標準等存在差距；2）由非原始部件制造商（original component manufacturer，OCM）或非授權制造商生產；3）由OCM 生產存在缺陷或未達標準芯片，仍按“正?！背鍪鄣男酒?；4）錯誤標記的芯片。

Ujjwal Guin 等根據以上特征進一步將偽芯片劃分為7 類［10-11］，如圖1 所示。

圖1 Ujjwal Guin 的偽芯片分類方法

1）回收芯片。指將回收芯片翻新為符合要求的全新芯片進行銷售。回收芯片在之前的使用過程中產生老化現(xiàn)象，可能會出現(xiàn)性能降低、壽命縮短等情況。在回收過程中，芯片在高溫下從電路板上被暴力拆下，還要經過洗滌、打磨、重新包裝等環(huán)節(jié)，芯片可能會被損壞并產生潛在缺陷。

2）重標記芯片。通過化學或物理方法去除芯片包裝上的原始標記（制造商、商標、元件號、等級和批號等），再涂抹新的涂層來隱藏表面劃痕和瑕疵，最后對表面進行重新標記。工業(yè)級或軍用級芯片具有出眾的耐用性和性能，價格也比商業(yè)級元件更高。冒充軍用級芯片銷售的商業(yè)級芯片可能無法承受更高級別敵手的攻擊。

3）過量生產芯片。設計公司為降低制造成本會將制造和封裝業(yè)務外包給代工廠進行代工，代工廠在與設計公司協(xié)議之外的制造和銷售過程稱為“過量生產”。過量生產芯片可能存在可靠性問題，還給知識產權所有者造成損失。過量生產芯片通常不會經過嚴格測試，還可能不符合標準加工流程要求。

4）未達標/缺陷芯片。即在制造后的測試中產生錯誤響應的芯片。這些芯片應該被銷毀、淘汰或以其他方式妥善處置，但可能被不受信任的第三方竊取并放在市場上公開出售。參數測試可以容易地檢測出在早期測試過程中被淘汰的有缺陷芯片，但無法檢測出在測試過程的后期階段被淘汰的芯片。

5）克隆芯片。通過復制設計以降低設計芯片研發(fā)成本。主要方式是逆向工程或通過非法途徑獲取知識產權。

6）偽造文檔芯片。通過修改或偽造芯片附帶的說明文檔（包含規(guī)格說明、測試情況、合格證和工作說明等信息），不合格或存在缺陷的芯片也可能流入市場銷售。原版設計和芯片的存檔信息通常很難獲得，很難驗證這些說明文檔的真實性。

7）篡改芯片。主要是指原始設計被惡意篡改的芯片（即“硬件木馬”）。篡改芯片可成為硅定時炸彈，使其功能在關鍵時刻意外“死亡”［12］。篡改芯片也可能包含后門并向敵手泄露機密信息，敵手也可輕易訪問關鍵系統(tǒng)的功能。硬件木馬型的偽芯片與其他類型偽芯片存在較大差異，通常將其作為獨立的研究方向。

Huang 等對以上分類進行了簡化［7］，并對當前威脅最為突出的3 類偽芯片進行了介紹：1）以假充真：將功能相同或僅外形相同的其他芯片標記為正品芯片；2）以次充好：將低規(guī)格芯片標記為高規(guī)格芯片，如將民品級芯片標記為軍品級芯片；3）以舊充新，將回收芯片、庫存芯片等形式的老舊芯片標記為全新芯片。

2 偽芯片檢測

偽芯片檢測方法大致分為物理檢測方法和電氣檢測方法兩類［10-11］。

2.1 物理檢測方法

通過分析芯片的封裝材料、內部結構、引線鍵合方式、引腳磨損狀態(tài)等物理特征實現(xiàn)偽芯片檢測。該類方法的主要類型及特點歸納如表1 所示［10-15］。

表1 物理檢測方法分類

圖2 展示了部分典型物理檢測方法，其中圖2（a）為采用低倍光學檢查芯片引腳，可見其有顯著的焊接痕跡；圖2（b）為采用X 射線成像技術觀察芯片內部布局及鍵合線結構，將之與原始設計進行對比，即可發(fā)現(xiàn)是否異常；圖2（c）、圖2（d）為采用X射線激發(fā)的能量色散譜分析（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）方法，可以檢測引線的材料組成，其中圖2（c）中為偽芯片的色散譜（含有鉛元素），而圖2（d）中為正品芯片的色散譜（無鉛）。

圖2 典型物理檢測方法［1］

隨著研究的深入，一些學者通過將物理檢測方法與數據分析方法相結合，取得了不錯的效果。Mahmood 等在到貨檢查中運用X 射線顯微鏡檢查使用可見光無法觀察到的物體特征和細節(jié)，采用局部二值模式（LBP）進行特征提取，使用主成分分析（PCA）對特征進行降維處理，之后用支持向量機（SVM）和深度神經網絡的相關技術進行自動分類，最終區(qū)分出正品和偽芯片［13］。E.Thomas Gilmore 等運用固定式紅外攝像頭對安放在可移動平臺上的芯片進行拍攝，捕捉視頻片段并記錄下每個芯片的紅外特征。使用盲源分離（BSS）技術和獨立成分分析（ICA）區(qū)分每個芯片的紅外和性能特征，再和正品作比較以確定真實性［15］。

物理檢測方法能夠較好地檢測以假充真、以次充好等類型的偽芯片，但是以舊充新類型的偽芯片與正品芯片結構、材料等方面均完全相同，難以由物理檢測方法檢出。同時，物理檢測方法普遍需要大型儀器設備的支持，檢測成本較高。

2.2 電氣檢測方法

電氣檢測主要通過分析芯片的電氣特征實現(xiàn)偽芯片檢測，其主要類型及特點歸納如表2 所示［11-12，19］。

目前業(yè)內已有一些可用的電氣檢測工具，例如Integra 科技公司［16］和英國ABI 電子公司［17］的解決方案，這些工具主要依賴于功能或參數測試。英國ABI 公司的偽芯片檢測儀通過連接芯片引腳測量電氣參數，利用三維立體動態(tài)阻抗掃描，比對數據判斷當前芯片狀態(tài)。但這些測試工具可能無法有效檢測出在功能性、參數或結構上的微小變化，并且需要將待測芯片裝到專門的儀器上才能檢測，無法檢測已應用在系統(tǒng)中的存疑芯片。由此可見，電氣檢測方式可以實現(xiàn)偽芯片的無損檢測，然而其檢測的時間普遍較長，對測試設備的要求較高。同時，該方式對于大規(guī)模復雜集成電路的檢測能力有限，難以動態(tài)檢測其電路變化特征。

表2 電氣檢測方法分類

2.3 旁路分析方法

由于物理檢測和電氣檢測方法所存在的局限性，偽芯片的旁路檢測方法以其無損、快速、檢測精度高等特點，日益成為未來研究的熱點方向。芯片運行時會產生功耗、電磁輻射、熱輻射等旁路信號，研究表明芯片的旁路信號與其內部結構具有緊密的相關性［18］。偽芯片可能在內部結構、布線、實現(xiàn)工藝、響應特征等方面與正品芯片存在差異，這些差異會引起旁路信號的異常變化。旁路分析方法正是通過檢測旁路信號異常變化來實現(xiàn)偽芯片的檢測，具有快速、無損等優(yōu)點，具有良好的應用前景［19］。

圖3 基于可配置環(huán)形振蕩器的超輕量級數字BFSK 發(fā)射器

H.Huang 等通過示波器和頻譜分析儀收集待測芯片的電磁指紋和正品芯片的參考指紋，再用Z系數法對指紋進行對比分析，從而判定是否為偽芯片［7］。在此基礎上，增加了特征選擇驗證（FSV）方法進一步對比電磁結果［20］，可以展示與技術差異相關的更多細節(jié)，但也很難設定準確的值，以直接判斷真?zhèn)?。Lilian Bossuet 等設計了輕量化BFSK 發(fā)射器（原理如圖3 所示），可通過ID 檢查器由設備外部或內部的特定事件激活，以穩(wěn)定電磁旁路信號的形式發(fā)送嵌入式IP 身份［21］。采用類似原理，該學者又基于開關環(huán)形振蕩器，僅以特定頻率向外界傳輸信息。利用常見的電磁測試臺捕獲旁路電磁信號，經過相關數據處理和解調方法恢復數據，從而利用結果對芯片身份進行認證［22］。

對于以舊充新的偽芯片檢測問題，主要利用芯片老化效應對旁路特征的影響進行檢測。常見的老化效應主要包括：負偏壓不穩(wěn)定性（negative bias temperature instability，NBTI）、熱載流子注入（hot carrier injection，HCI）、經時擊穿效應（time dependent dielectric breakdown，TDDB）等。這些效應會造成芯片延遲特征的顯著偏移，因此，可以用于檢測回收芯片。Rashmi Moudgil 等利用電路延遲參數［23］，分析多個路徑延遲之間的關系而不是單個路徑延遲，濾掉過程變化的影響，最終檢測率超過97%。Sadman Sakib 等利用芯片的時間變化特征，成功檢測了回收的閃存芯片［25］。

3 防偽設計

防偽設計（Design-for-Anti-Counterfeit，DfAC）是在設計芯片階段就給芯片一種標記或認證，以證明是獨一無二的正品，目的是預防偽芯片被應用到系統(tǒng)中，使其在使用前就能被檢測出是否為偽芯片。通常，防偽設計分為芯片ID 和包裝ID 兩大類［10］。

芯片ID 是利用從電路上提取到特征和參數生成的獨特ID，并將ID 在制造和測試后期嵌入到芯片中，從而對每個芯片進行唯一識別。

1）物理不可克隆函數［26］（Physical Unclonable Function，PUF）：一種用于身份驗證和片上密鑰生成的新方法［27-28］。集成電路加工時的工藝變化是無法人為控制和預測的，這使得PUF 可作為每個芯片的唯一身份認證簽名。Vincent J.Napoleon 等利用PUF將路徑掃描延遲中的隨機信息轉換為認證簽名，用于檢測回收芯片和克隆芯片［29］。

2）硬件計量：是一種通過早期鎖定芯片以主動控制生產芯片數量，防止過量生產的方法，其要求代工廠在測試之前激活每個芯片［30］。計量方法有主動和被動之分。被動方式中，必須對一系列的有限狀態(tài)機輸入正確，芯片才能從鎖定狀態(tài)下啟動。主動方式是將XOR 門嵌入設計的隨機位置中，通過提供的正確密鑰解鎖芯片。該方法還可以為安全敏感的系統(tǒng)執(zhí)行強制用戶認證，但無法檢測重標記芯片，并且會產生較大的芯片面積開銷［31］。

3）安全隔離測試：是一種防止有缺陷的或過量生產芯片從代工廠流出的方法。引入了硬件加密的芯片，必須經過擁有密鑰的IP 所有者激活之后才能正常使用，防止了芯片從代工廠流入黑市的情況發(fā)生，保護了IP 所有者的利益［32］。

4）抗裸片/ 集成電路回收（Combating Die/IC Recovery，CDIR）［33］：是一種防止芯片被回收再利用的技術。Contreras，Gustavo K 等利用CDIR 技術嵌入一個可記錄芯片使用情況的輕量傳感器，傳感器依靠MOSFET 的老化效應改變環(huán)形振蕩器的頻率，頻率變化表明了老化的程度并提供了一個方便檢測的簡單讀數值［34］。Zhang 等采用的傳感器由計數器和嵌入式反熔絲存儲塊組成，計數器記錄芯片使用時間，同時將其值保存在反熔絲存儲塊中［35］。反熔絲內存塊是一次性可編程的，仿冒者在回收過程中不能抹去之前寫入的記錄，因此，可反映出是不是回收芯片。Ujjwal Guin 等基于環(huán)形振蕩器（RO）的CDIR 傳感器，采用RO 的NBTI 感知，可更有效地利用老化效應判斷出芯片是否被使用過，僅使用了非常短的時間也能被記錄下來［11］。部分不同版本的CDIR 具有多個RO 對，設計人員可根據區(qū)域預算選擇RO 對的數量。

5）電子芯片ID：是對每個芯片的唯一標記ID，用于在供應鏈中跟蹤芯片，在芯片的整個生命周期中可以容易地被讀取到。Daniel Ziener 等為保護FPGA 上IP 內核，以功耗旁路信號的形式將新型水印嵌入IP 內核，可通過芯片電源引腳捕獲的電壓信號軌跡輕松提?。?6］。在FPGA 的復位階段，水印通過開關鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）對功耗旁路進行調制，以此傳輸簽名。將水印嵌入功耗信號的優(yōu)點在于：即使水印被嵌入在VHDL、Verilog 等硬件描述語言代碼中，在制造完成后也可以容易地檢測到水印。水印的設計思想類似于旁路硬件木馬使用人工旁路泄漏秘密信息。Georg T.Becker 等人以擴頻和輸入調制的方式，將水印信號隱藏在嵌入式設備的功耗旁路信號底噪中［37］，最終使用差分功率分析（Differential Power Analysis，DPA）得出檢測結果。

包裝ID 是指在芯片外包裝中使用的新型防偽技術。已經生產完成的或者早期型號的芯片已無法利用芯片ID 的方式再增加額外的防偽硬件，只能在其外包裝的層級增加防偽措施。主要技術有：DNA 標記［38］、納米棒［39］、磁性PUF［40］等。

4 面臨的挑戰(zhàn)

對上述研究進行總結可見，偽芯片檢測技術主要適用于既有貨架產品或其他沒有安全設計的芯片，普遍需要大型儀器設備的支持，測試的代價和成本相對較高。防偽設計可以較好地提高芯片的防偽能力，但是防偽設計需要在電路中增加額外的硬件或其他防偽措施，對于邏輯規(guī)模較小、需求量大的器件會大大增加產品的開銷。偽芯片研究仍處于方興未艾的階段，偽芯片缺陷規(guī)律、物理效應等研究仍有待進一步開展。同時，兩類方法都會受到環(huán)境噪聲、工藝擾動、老化效應等方面的影響，難以全面解決偽芯片問題。

面對偽芯片的嚴重威脅，我國尚未建立起有效的應對措施。偽芯片對我國現(xiàn)有防護措施提出的挑戰(zhàn)包括以下方面：

1）偽芯片機理及其模型研究。偽芯片防護問題本質上是一個芯片內部結構變化的檢測與應對問題。芯片內部結構變化受到使用環(huán)境、老化等多種物理效應的影響。加強偽芯片機理及其模型研究，能夠充分認識不同條件下偽芯片的變化規(guī)律，從而提高偽芯片的檢測與應對能力。同時，芯片運行中會產生功耗、電磁輻射、熱輻射等多種旁路信號，這些旁路信號之間既有相互關聯(lián)，又各有不同之處。通過加強相應機理研究，可以充分認識不同旁路物理效應之間的關聯(lián)，并加以綜合利用，從而實現(xiàn)偽芯片的快速、無損檢測，并為芯片的故障診斷與預測奠定良好基礎。

2）偽芯片在線檢測技術研究。現(xiàn)代復雜電子系統(tǒng)中通常需要集成不同廠家設計的多個電子模塊。以計算機為例，其電源、主板、內存等模塊均由不同供應商提供。對于非可信供應商提供的模塊，眾多芯片已經焊接完成，難以將其取下逐一進行測試。此時，迫切需要偽芯片在線檢測技術的支持，直接針對該模塊完成檢測。然而，不同廠家設計的模塊電路結構不同、運行程序不同、時鐘復位不同，即使完全相同的芯片，其特征也會呈現(xiàn)較大差異。如何在不同環(huán)境下準確提取芯片的本質特征，是在線檢測方法亟需解決的問題。

3）偽芯片法規(guī)完善及其管理體系建立。目前我國在偽芯片相關的法規(guī)制定方面大大落后于國際先進水平，迫切需要借鑒國際先進經驗，加快制定我國的相關法規(guī)制度。同時，應盡快建立芯片供應鏈的全過程管理體系，準確掌握關鍵芯片從哪里來到哪里去的相關信息，對出現(xiàn)問題的芯片既可追溯責任，又可對相關系統(tǒng)提出預警；加大芯片特征數據庫的建設與共享力度，推動大數據、機器學習等方法在偽芯片檢測領域的應用。

5 結論

偽芯片問題對集成電路相關產業(yè)造成了嚴重影響，其應對措施仍存在諸多薄弱環(huán)節(jié)。芯片供應鏈包括設計、生產、分銷、使用等方方面面，其中任何一個環(huán)節(jié)的弱點都可能被不法分子所利用，造成偽芯片的失管失控，相關政府機構需要加快法規(guī)、標準的建立，對偽芯片問題加以懲戒和震懾；科研機構需要加強相關檢測與預防技術的研究，使得偽芯片無處遁形；工業(yè)部門加強出入庫檢測，提高產品質量檢測與控制能力。因此，應對和解決偽芯片問題，需要多個部門聯(lián)合采取措施，以確保集成電路芯片在相關領域應用的可靠性和安全性。