Security-aware optimization of analog integrated circuits

Abstract

Günlük hayattaki artan dijitalleşme elektronik cihazların talebinde önemli bir ölçüde artışa sebep olmuştur. Bu artışın karşılanması için tümleşik devre tasarımının hızlanması mühimdir. Tümleşik devre tasarımını doğası gereği olan zorlukları, özellikle analog temelli yapılar için bu talebin karşılanmasını bir hayli zorlaştırmaktadır. Otomasyonun ve yeni imalat teknikleri fabrikasız üretimin önünü açarak daha ulaşılabilir ve yaygın, tümleşik devre tasarımının önünü açmıştır. Ancak tasarım hızının ve dijitalleşmenin artması fikri mülkiyet hırsızlığı gibi kötü niyetli çalışmaları beraberinde getirmiştir. Bununla beraber tersine mühendislik oldukça yaygınlaşmıştır. Tersine mühendislik doğrudan yasadışı bir eylem olmasa da fikri mülkiyet haklarını ciddi şekilde ihlalin önünü açabilir ve sahte tümleşik devrelerin ortaya çıkmasına katkı sağlayabilir. Tümleşik devrelere yönelik bu tip tehditler fikri mülkiyet sahipleri için ekonomik kayıplarla sınırlı kalmaksızın ciddi problemler oluşturmaktadır. Örnek vermek gerekirse sahte cihazlar tüketiciler için sağlık riskleri oluşturabilir, milli güvenlikte zafiyetlere sebebiyet verebilir ve dahası. Güvenliğe duyarlı tasarım, genellikle önemli ölçüde elle çaba ve uzmanlık gerektiren zorlu bir görev olmaya devam etmektedir. Analog güvenliğin henüz yeterince olgunlaşmamış olması, söz konusu zorlukların analog devrelerde daha belirgin şekilde ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Dijital devreler için fikri mülkiyet korsanlığını durdurmada, donanım Truva atlarını tespit etme/önlemede, tersine mühendisliğe karşı korumada ciddi adımlar atılmıştır ancak analog devreler için bu ilerleme yakalanılamamıştır. Dijital ve analog devreler arasındaki temel farklar dijital çözümlerin analog tarafında kullanılabilirliğini kısıtlamaktadır. Dijital cihazların çoğu analog alt-blokları temelinde barındırır. Sahte cihazların çoğunun analog tabanlı olduğu göz önüne alındığında, analog tasarımın güvenliğini sağlamak donanım güvenliği için elzemdir. Bu tezde, yaygın otomasyon tekniklerini, tümleşik devrelere yönelik başlıca güvenlik tehditlerini ve yaygın olarak kullanılan savunmaları incelemektedir. Bu çalışma aynı zamanda analog tasarım otomasyonu ve donanım güvenliği arasında köprü kurmakta ve güvenlikli analog devre otomasyonunu gerçekleştirilmesine yönelik temel bir adım sağlamaktadır. Daha sonra, önerilen yaklaşım seçilen devrelere özel olmamakla beraber önemli analog devreler üzerinde uygulanmış ve test edilmiştir. Amaç güçlü bir güvenlik otomasyonu ortaya koyup tersine mühendisliğin ve fikri mülkiyet korsanlığının önüne geçmektir. Kullanılan kilitleme yöntemi transistör boyutlarının gizlenmesi ile tasarımcıların fikri mülkiyet sahiplerinin haklarını korumasına yardımcı olur. Otomasyonun gücüyle bu kilitleme yönteminin uygulanması kolaylaşacak ve tasarımcılar için daha ulaşılabilir bir hale getirecektir. Bildiğimiz kadarıyla bu çalışma, güvenliğe duyarlı optimizasyonun ilk uygulamasını sunmaktadır. Bu şekilde analog devrelerin güvenliği güçlenecek ve fikri mülkiyetler korunabilecektir.As the digitalization of daily life increases, it causes a growing demand for electronic devices. Accelerating the design process of integrated circuits is essential to meeting the growing demand for rapid and efficient electronic system development. Inherent difficulties with IC (Integrated circuit) design makes meeting the demand more difficult especially on analog domain. Advancements in automation and novel fabrication methods have contributed to the emergence of fabless design, leading to enhanced accessibility and widespread adoption of integrated circuit (IC) development. However, with the acceleration of design processes and the growing digitalization of systems, malicious activities such as intellectual property (IP) theft have also increased. Furthermore, reverse engineering has become an increasingly frequent practice. Although the act is not inherently illegal, it can still result in significant violations of IP rights and contribute to the emergence of counterfeit ICs. Threats against IPs create major problems for IP holders, especially financial losses but are not limited to that. Counterfeit devices pose serious risks, including potential threats to consumer health, breaches of national security, and other significant consequences. Security-aware design remains a challenging task, often requiring substantial manual effort and specialized expertise. This challenge is particularly evident in the analog domain, where security considerations are still underdeveloped and remain in a relatively immature state. Significant advances have been made in the area of digital circuits in the effort to thwart IP piracy, to detect/prevent insertion of hardware Trojans and to protect against reverse engineering. However, analog design has not kept pace. Fundamental differences between digital and analog circuits make digital solutions less applicable in analog domain. Most of the digital devices depend on analog subblocks. Given that most of the counterfeit devices are analog based, securing analog design should be mandatory aspect for hardware security. The present study investigates common automation techniques, major security threats against ICs, and widely used defenses. This study also proposes a security automation approach that bridges analog design automation and hardware security, providing a foundational step toward enabling security automation in analog design. The proposed approach is then applied and assessed on key analog circuits to validate the method, though the approach is not limited to these specific circuits. The goal is to propose a strong security automation approach to mitigate reverse engineering and IC piracy. The utilized locking mechanisms help designers protect the rights of IP owners by obfuscating the sizes of transistors. Leveraging the power of automation, the implementation of locking mechanisms becomes more accessible and practical for circuit designers. To the best of our knowledge, this work presents the first implementation of security-aware optimization. This approach has the potential to enhance the security of analog circuits and protect intellectual property.