Most chip designers outsource the manufacturing of their integrated circuits (ICs) to external foundries due to the exorbitant cost and complexity of the process. This involvement of untrustworthy, external entities opens the door to major security threats, such as reverse engineering (RE). RE can reveal the physical structure and functionality of intellectual property (IP) and ICs, leading to IP theft, counterfeiting, and other misuses. The concept of the threshold voltage-defined (TVD) logic family is a potential mechanism to obfuscate and protect the design and prevent RE. However, it addresses post-fabrication RE issues, and it has been shown that dopant profiling techniques can be used to determine the threshold voltage of the transistor and break the obfuscation. In this work, we propose a novel TVD modulation with ion-sensitive field-effect transistors (ISFETs) to protect the IC from RE and IP piracy. Compared to the conventional TVD logic family, ISFET-TVD allows post-manufacture programming. The ISFET-TVD logic gate can be reconfigured after fabrication, maintaining an exact schematic architecture with an identical layout for all types of logic gates, and thus overcoming the shortcomings of the classic TVD. The threshold voltage of the ISFETs can be adjusted after fabrication by changing the ion concentration of the material in contact with the ion-sensitive gate of the transistor, depending on the Boolean functionality. The ISFET is CMOS compatible, and therefore implemented on 45 nm CMOS technology for demonstration.


翻译:Abstract: 由于成本和复杂性等原因,大多数芯片设计师将集成电路(IC)的制造外包给外部晶圆厂。这种不可信的外部参与为反向工程(RE)等重大安全威胁打开了大门。 RE可能会揭示知识产权(IP)和IC的物理结构和功能,导致IP盗窃、伪造和其他滥用。门限电压定义(TVD)逻辑系列的概念是一种潜在的机制,可以混淆和保护设计,防止 RE。然而,它解决了制造后的 RE 问题,并且已经表明掺杂剖面技术可以用来确定晶体管的门限电压并打破混淆。在这项工作中,我们提出了一种基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的新型 ISFET-TVD 调制来保护 IC 免受 RE 和 IP 盗版的攻击。与传统的 TVD 逻辑系列相比,ISFET-TVD 允许制造后编程。ISFET-TVD 逻辑门可以在制造后重新配置,保持精确的原理图结构,并为所有类型的逻辑门提供相同的布局,从而克服了经典 TVD 的缺点。ISFET 的门限电压可以通过改变与晶体管离子敏感门接触的物质中的离子浓度来进行制造后调整,具体取决于布尔功能。ISFET 是 CMOS 兼容的,因此在 45nm CMOS 技术上实现演示。

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