[发明专利]基于TDC的可调谐电压传感装置及其较准调谐方法

说明书

本发明提供了一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其校准调谐方法，包括TDC模块、时钟模块和寄存器模块；所述时钟模块产生脉冲时钟和采样时钟；所述TDC模块根据脉冲时钟产生多沿脉冲信号在延迟链上传递，并被采样时钟采样，得到测量结果；所述寄存器模块对TDC模块和时钟模块中各项参数进行配置和调试。本发明提供的电压传感装置灵敏度高，同时有较好的可部署性。相比常见的TDC电压传感装置，采用了多链多沿及双采样的设计，大大提高了灵敏度，利用相移时钟增强了可部署性。

技术领域

本发明涉及面向云FPGA的信息安全的技术领域，具体地，涉及一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其较准调谐方法，尤其是，优选的涉及一种用于远程功耗分析攻击的高灵敏度可调谐TDC电压传感装置。

背景技术

随着全球互联网的加速发展，云数据中心正在兴起。由于FPGA(英文全称为FieldProgrammable Gate Array，中文译文为现场可编程逻辑门阵列)的可重构特性，它被广泛应用于各种嵌入式和云计算环境。云FPGA通常都是多租户的，即FPGA的硬件资源可以由多个用户共享。通过在FPGA上部署电压传感装置，可以窃听周围计算引起的功耗泄露，通过功耗分析的侧信道攻击方法来窃取信息，给云服务中的数据甚至机器学习模型等带来安全问题。这种远程功耗分析(Remote Power Analysis,RPA)攻击中，如何设计高效、易实现的片上电压传感装置是核心问题。

TDC(时间数字转换器)是将模拟时间信息转换为数字信息的电路。在FPGA上专用的加法进位链延迟很小(在Xilinx 16nm FPGA上每级约为4ps)，可以较为方便地搭建高分辨率的延迟链，这种方法设计的TDC电路可以很好地完成时间测量相关的应用。它的基本原理是通过系统时钟对延迟链每级抽头的采样值记录输入的上升(或下降)沿传播的级数。当TDC与被攻击模块在FPGA上共享电源分配网络时，被攻击模块的运算引起电压波动，影响到进位链的延迟时间和输入信号在延迟链上传播的级数，而使本应较为稳定的TDC测量值产生变化。所以TDC对时间的测量也可以反映电压变化，将模拟电压信息转换为数字信息。

公开号为CN109342807A的中国发明专利文献公开了一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度。

针对上述中的相关技术，发明人认为当前的FPGA片上电压传感装置主要采用TDC电路实现，大多只使用了一条延迟链，只在延迟链上传播一个上升(或下降)沿，对电压波动的灵敏度不够高，需要采集更多功耗轨迹才能完成攻击，在先进工艺FPGA上这一点更明显。另外，由于电压波动的时间与时钟周期都是纳秒级，传感装置与被攻击模块间的时钟相位也会影响所采样功耗轨迹的信噪比，而这一因素是在实际攻击时通常是不固定。在某些相位下，电压传感装置采集到的有效信息较少。现有设计中几乎没有考虑这一因素。同时，一般的TDC电压传感装置中，在延迟链中传播的信号为时钟信号，需要调整时钟相位和延迟链长度，使时钟信号的边沿能在延迟链上被采样到以衡量其传播的级数。但当FPGA的工艺，温度，电压等条件，甚至传感装置或PLL的布局位置发生变化时，就需要反复实验来调整，可部署性较差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其校准调谐方法。

根据本发明提供的一种基于TDC的可调谐电压传感装置，包括TDC模块、时钟模块和寄存器模块；

所述时钟模块产生脉冲时钟和采样时钟；

所述TDC模块根据脉冲时钟产生多沿脉冲信号在延迟链上传递，并被采样时钟采样，得到测量结果；