1、信息安全芯片信息安全芯片 市場、技術與問題市場、技術與問題 清華大學微電子學研究所清華大學微電子學研究所 陳弘毅陳弘毅內容提要內容提要n信息安全芯片信息安全芯片n必要性必要性n市場市場n技術技術n問題問題n國家國家“十五十五”科技計劃科技計劃n微所工作介紹微所工作介紹n過去過去n現在現在n未來未來信息安全芯片信息安全芯片必要性必要性n信息安全問題信息安全問題n信息安全技術信息安全技術 密碼技術，密碼技術，n密碼技術密碼技術 密碼算法密碼算法+密碼協議密碼協議n密碼芯片密碼芯片 密碼算法或協議的有效實現密碼算法或協議的有效實現n信息安全芯片信息安全芯片 密碼芯片，密碼芯片，信息安全芯片信息安全芯

2、片市場市場n基本認識基本認識 宏觀估計：保密通信、身份識別、數字簽名，宏觀估計：保密通信、身份識別、數字簽名， 各界對信息安全問題的重視各界對信息安全問題的重視=市場機會市場機會 不能及時提供產品、創造需求不能及時提供產品、創造需求=市場機會的喪失市場機會的喪失 目前處于發育階段，需各方努力，共同推動；但市場的最終形成需要目前處于發育階段，需各方努力，共同推動；但市場的最終形成需要一個過程一個過程 未來規模：不確定未來規模：不確定 如果能讓每一個人有一臺數字簽名和驗證的機器，則市場規模應該不如果能讓每一個人有一臺數字簽名和驗證的機器，則市場規模應該不小！小！信息安全芯片信息安全芯片市場市場n中

3、間產品、輔助產品中間產品、輔助產品客戶系統方案芯片系統集成信息安全芯片信息安全芯片市場市場n產品狀況產品狀況 隨機數發生器：隨機數發生器：RNG(Random Number Generator) 對稱密碼算法：對稱密碼算法：DES，3DES，AES 非對稱密碼算法：非對稱密碼算法：RSA，ECC 安全處理器平臺：安全處理器平臺：SOC(MPC180) 信息安全芯片信息安全芯片市場市場n國內狀況國內狀況 國家政策國家政策 市場壁壘市場壁壘 發展空間發展空間 部門、行業中的應用（銀行、稅務、證券、海關、部門、行業中的應用（銀行、稅務、證券、海關、） 缺乏通用產品（通信、電子政務）缺乏通用產品（通信

4、、電子政務） 市場的形成市場的形成 國外產品的滲透國外產品的滲透n機會與挑戰機會與挑戰 提供合適產品提供合適產品=抓住機會抓住機會 供給創造需求供給創造需求 需求引導供給需求引導供給 數字證書數字證書數字奧運數字奧運信息安全芯片信息安全芯片技術技術n算法類型算法類型 隨機數發生器（真、偽）隨機數發生器（真、偽） 分組算法分組算法 消息摘要算法消息摘要算法 公鑰算法公鑰算法n典型算法典型算法 RC4 DES，3DES，IDEA，AES MD4，MD5，SHA-1 RSA，ECC信息安全芯片信息安全芯片技術技術n芯片類型芯片類型 單功能：單功能：DES，3DES，AES，RSA，物理噪聲源，物理噪

5、聲源 多功能多功能 高端、低端高端、低端 SOC、ASIC 嵌人式（嵌人式（Embedded systems)n特征特征 輸入輸出數據寬輸入輸出數據寬 防攻擊防攻擊 目前一種趨勢：擴展目前一種趨勢：擴展CPU功能，包括大數處理功能功能，包括大數處理功能信息安全芯片信息安全芯片問題問題n算法算法 空缺：國內標準算法空缺：國內標準算法 矛盾：國內標準與國際通行算法矛盾：國內標準與國際通行算法n如何規劃芯片如何規劃芯片n微控制器與微控制器與CPUn工藝、流片、投片工藝、流片、投片n防攻擊防攻擊 防邏輯攻擊防邏輯攻擊 防物理攻擊防物理攻擊國家國家“十五十五”科技計劃科技計劃n算法標準算法標準 隨機數隨

6、機數 分組算法分組算法 消息摘要消息摘要 ECCn算法的芯片實現算法的芯片實現 數字物理噪聲源數字物理噪聲源 分組加密芯片分組加密芯片 ECC（192，素數域，素數域，300次次/秒）秒） RSA（1024，2000次次/秒）秒） SOC方式（方式（192，2000次次/秒；秒；1024，2000次次/秒）秒）n組織實施（各方協調）組織實施（各方協調）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n信息安全芯片近信息安全芯片近20種種 微小型保密機：微小型保密機：2種種 保密機微電子化：保密機微電子化：3種種 保密電臺：保密電臺：2種種 密碼專用芯片：完成密碼專用芯片：完成2種；在做種；在做3種種

7、IC卡芯片：完成卡芯片：完成4種；在做種；在做4種種n專利專利 美國發明專利美國發明專利3個個清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n微小型保密機微小型保密機 密碼序列產生密碼序列產生ASIC IC854-3 4 m P阱阱CMOS工藝，工藝， 面積面積5.6x6.0 mm2 (1991年年) 上海貝嶺上海貝嶺 序列密碼同步序列密碼同步ASIC IC854-4 4 m P阱阱CMOS工藝硅柵門陣列設計工藝硅柵門陣列設計 芯片面積芯片面積5.7x5.8 mm2 (1991年年) 上海貝嶺上海貝嶺清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n保密機微電子化保密機微電子化 保密機同步電路：保密機同步電

8、路： 4 m P阱阱CMOS工藝工藝 面積：面積：4.7 4.4 mm2 (1992年年) 上海貝嶺上海貝嶺 密碼接口密碼接口: 3 m硅柵硅柵N阱阱CMOS 面積面積:4.37 4.48 mm2 (1993年年) 上海貝嶺上海貝嶺清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n保密機微電子化保密機微電子化 密碼產生密碼產生: 3 m硅柵硅柵N阱阱CMOS 面積面積:4.37 4.48 mm2 (1994年年) 上海貝嶺上海貝嶺清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n密碼流發生器：密碼流發生器： 1.2m雙層金屬布線雙層金屬布線N阱阱CMOS門陣列基片門陣列基片 主時鐘可達主時鐘可達30MHz，低

9、電壓工作：，低電壓工作：3.3V以下，低功耗，小于以下，低功耗，小于2mw 上海貝嶺（上海貝嶺（1998）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去n碼流相關器：碼流相關器： N阱阱1.2 m雙層金屬雙層金屬CMOS工藝工藝 低電壓：低電壓：3.3V以下，低功耗：靜態功耗小于以下，低功耗：靜態功耗小于1mw 上海貝嶺（上海貝嶺（1999年）年）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去DES和和Tri-DES THS00110 DES處理器處理器 標準標準DES算法算法 單片單片ECB模式的模式的DES加密與解密加密與解密 40管腿雙列直插封裝管腿雙列直插封裝(DIP-40) 1.2 m CMOS

10、 工藝，工藝， 8千門，千門，7x7mm2 ， 時鐘頻率時鐘頻率10MHz， 數據處理速度數據處理速度40Mbit/sec 無錫上華（無錫上華（2000年）年）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去AES THS00111 AES 0.35 m CMOS 工藝工藝 4萬門萬門 面積面積3x3mm2 時鐘頻率時鐘頻率66MHz 數據處理速度數據處理速度844.8Mbit/sec 上海華虹上海華虹NEC（2002年）年）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去RSATHM256 模冪乘處理器模冪乘處理器(1997年年) 基于基于Montgomery算法算法 線性脈動陣列流水線結構線性脈動陣列流水

11、線結構 256bit試驗芯片試驗芯片 規模：規模：18677等效門等效門 24腿腿DIP封裝封裝 0.8 m雙層金屬雙層金屬CMOS工藝，工藝， 實測時鐘頻率實測時鐘頻率90MHz以上以上 RSA加解密運算速度達加解密運算速度達117 Kbps 如如0.25 m工藝可獲工藝可獲1 Mbps數據率數據率 歐洲歐洲CMP公司加工制造公司加工制造清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去SHA-1： 0.6 m雙層金屬雙層金屬CMOS工藝工藝 1萬萬7千等效門千等效門 面積：面積：4x4 mm2 時鐘頻率：時鐘頻率：25MHz 數據處理速度：數據處理速度：175Mbit/sec 無錫上華（無錫上華（2

12、002年）年）清華微所工作介紹清華微所工作介紹過去過去專利專利n“A Method of Modular Reduction and Modular Reduction Circuits”，陳弘毅、蓋偉新陳弘毅、蓋偉新，U.S.P5793659， 1998.8.11n“Variable Radix Multiplier Coding Algorithm”，陳弘毅、蓋偉新陳弘毅、蓋偉新，U.S.P5828590，1998.10.27n“Systolic Linear Array Modular Multiplier with Pipelined Processing Element”，陳弘毅、蓋

13、偉新陳弘毅、蓋偉新，U.S. P6061706，2000.5.9清華微所工作介紹清華微所工作介紹當前當前ECC：n基于曲線基于曲線K-233n密鑰長密鑰長233，特征，特征2曲線曲線n內置隨機數產生器內置隨機數產生器n四種功能：四種功能： ECDSA簽名產生簽名產生 ECDSA簽名驗證簽名驗證 多倍點計算多倍點計算 密鑰對生成密鑰對生成K-233曲線曲線 基域：基域： 域多項式：域多項式： 曲線方程：曲線方程： 曲線上點的個數：曲線上點的個數： n=0 x 00000080 00000000 00000000 00000000 00069D5B/ B915BCD4 6EFB1AD5 F173A

14、BDF 基點坐標：基點坐標： x=172 32 BA853A 7E731AF1 29F22FF4 149563A4/ 19C26BF5 0A4C9D6E EFAD6126 y=1DB 537DECE8 19B7F70F 555A67C4 27A8CD9B/ F18AEB9B 56E0C110 56FAE6A3 )2(233GF1)(74233xxxp132xxyy清華微所工作介紹清華微所工作介紹當前當前ECC工作狀態工作狀態時鐘周期數時鐘周期數假定頻率假定頻率每秒次數每秒次數簽名產生簽名產生25365 50MHz1971簽名驗證簽名驗證56967 50MHz877多倍點計算多倍點計算23588 50MHz2119密鑰對生成密鑰對生成23003 50MHz2173清華微所工作介紹清華微所工作介紹當前當前ECCn中芯國際中芯國際0.35庫庫 各模塊之和各模