一種可防止旁路攻擊的非揮發存儲器的讀電路制造技術

本發明專利技術屬于半導體存儲器技術領域，具體為一種可抗旁路攻擊的非揮發存儲器的讀電路結構。該結構包括存儲單元，第一參考單元，第二參考單元，電壓差放大電路，靈敏放大器，電流源，列選擇晶體管，兩個參考單元列選擇晶體管，兩個讀使能控制的晶體管，兩個傳輸門；其中存儲單元處于導通態或者非導通態，分別表示存儲1或者0數據，參考單元跟存儲單元有相同結構，分別預先編程為非導通態和導通態；該結構中，讀取過程中能同時開啟一路互補的參考單元列，以平衡其讀功耗曲線，因而可以防止功耗分析的旁路攻擊。本發明專利技術另一種電路結構是在上述結構基礎上，采用處于中間狀態的參考單元來進行讀操作，將參考單元作為冗余單元用于平衡讀功耗，可以進一步平衡讀0和讀1的功耗曲線，有利于抗功耗分析類的旁路攻擊。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體存儲器
，具體涉及一種非揮發存儲器的讀電路，特別涉及一種可抗旁路攻擊竊取數據的非揮發存儲器讀電路。
技術介紹
信息時代，在信息技術給人們提供便利的同時，也帶來了一個嚴峻的問題，那就是信息安全，尤其是敏感數據的安全性問題。盡管目前在信息安全研究領域，對安全加密的算法層、加密電路層等方面提出了很多技術，但是從敏感數據存儲的角度來看，如果存儲器在讀寫操作時產生了各種泄露信息，這些信息被稱為旁路信息，也會使得攻擊者從中探尋到所存儲的敏感數據。這類攻擊就是旁路攻擊，旁路攻擊對于存儲器有效的前提是存儲器讀O和讀I的信號存在差異。因而需要提出能夠提供讀O和讀I時的信號一致性的存儲器讀電路設計。而在旁路攻擊中，功耗分析類的攻擊是目前最常用的手段，它依靠對電子設備運行時所泄露的功耗信號的測量和統計分析，推斷出包含的敏感信息。半導體存儲器使用O或者I的數據組合來存儲信息，組成大容量存儲器的每個存儲器件單元可以存儲一個數據(O或者I)。通常，以掉電后存儲器的數據是否繼續存儲在存儲器中判斷，存儲器可以分為揮發存儲器和非揮發存儲器，其中非揮發存儲器掉電后數據能繼續保持。由于大多數敏感數據需要永久存儲，因此多存儲在系統中的非揮發存儲器中。現有技術中，美國專利US5917754提出一種帶平衡讀電路模塊的結構，如圖1所示。該結構包括由靈敏放大器103、存儲單元101、冗余單元I 102構成的存儲單元讀模塊，和由平衡靈敏放大器106、平衡單元104、冗余單元2 105、調整電路107構成的平衡模塊。平衡放大器和靈敏放大器結構相同，而平衡單元為一個處于導通態的單元。根據靈敏放大器103讀出的存儲單元的數據不同，可以打開或者不打開平衡模塊，以平衡總的讀功耗。即，當存儲單元為導通態時，流經存儲單元的電流較大，輸出數據為I，將不打開平衡模塊，而當存儲單元未非導通態時，流經存儲單元的電流非常小，輸出數據為0，將打開平衡模塊，由于平衡單元為導通態，因而將經過較大的電流，這樣使得讀取O和讀取I消耗的能量得到平衡，其效果如圖2所示。從圖2可以看出，該技術存在的問題是，該結構是在正常讀取數據之后，再根據所讀取的數據開啟一個平衡讀取模塊的讀操作，以平衡總的讀取能耗，面臨的問題:一是總的讀取時間延長為兩倍時間，二是該結構實質上平衡的是讀能耗，而讀O和讀I的即時功耗曲線卻完全不同，這也將成為讀旁路信號泄露的源頭，為旁路攻擊者帶來可乘之機。另一種現有技術中，由中國專利公開號CN102169723A提出的從存儲陣列單元中引入冗余機制的結構，如圖3所示。該結構主要針對阻變存儲器提出，其中每個存儲位包含了兩個ITlR (—個晶體管串聯一個阻變單元)存儲單元結構，其中兩個阻變單元總是一個處于高阻一個處于低阻。每次讀取操作時，讀電流都將同時經過高阻單元和低阻單元，因而使得讀取功耗的差異得以消除。該結構的不足在于，每個存儲位都包含了兩個存儲單元，使得陣列面積翻倍，對于小容量應用尚可接受，但是對于稍大容量的應用領域，其陣列面積的增加將難以接受。因此，有必要提出一種更加適合基于單個存儲單元作為存儲位的非揮發存儲器的讀電路結構，以消除讀O和讀I時的功耗信號差異，從而抵抗旁路攻擊。以阻變存儲器為例，即需要提出適合基于ITlR存儲位的存儲器的讀電路設計，以抗功耗分析類的旁路攻擊，所提技術也將適用于其它類型的采用單個存儲單元構成存儲位的各類存儲器結構，包括相變存儲器、電編程電擦除只讀存儲器(EEPR0M)、快閃存儲器(Flash)等。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種可抗旁路攻擊的非揮發存儲器讀電路結構，且更加適合基于單個存儲單元作為存儲位的非揮發存儲器，以消除讀O和讀I時的功耗信號差異，從而抵抗旁路攻擊。本專利技術提出的可抗旁路攻擊的非揮發存儲器讀電路結構，有2種，第一種讀電路，其結構如圖4所示，第二種讀電路，其結構如圖5所示。 第一種讀電路結構，包括:存儲單元401，第一參考單元402，第二參考單元403，電壓差放大電路407，靈敏放大器412，以及電流源413，此外，還包括:列選擇晶體管:第一晶體管404，兩個參考單元列選擇晶體管:第二晶體管405和第三晶體管406，兩個讀使能控制的晶體管:第四晶體管410和第五晶體管411，兩個傳輸門:第一傳輸門408、第二傳輸門409 ;其中: (1)所述存儲單元401，可以處于導通態或者非導通態，分別表示存儲I或者O數據； (2)所述處于非導通態的第一參考單元402、處于導通態的第二參考單元403，跟存儲單元I是相同結構，分別預先編程為非導通態和導通態； 所述存儲單元401可以是阻變存儲器單元，其導通態和非導通態分別代表低阻和高阻。相應的，所述非導通態的第一參考單元402可以是處于高阻態的阻變存儲器單元。所述導通態的第二參考單元403可以是處于低阻態的阻變存儲器單元； 所述存儲單元401可以是相變存儲器單元，其導通態和非導通態分別代表晶態的低阻和非晶態的高阻。相應的，所述非導通態的第一參考單元402可以是處于非晶態的高阻態的相變存儲器單元。所述導通態的第二參考單元403可以是處于晶態的低阻態的相變存儲器單元； 所述存儲單元401可以是其它類型的存儲單元，包括eeprom、flash等，所述導通態和非導通態分別表示其浮柵電荷被編程和被擦除的物理狀態。相應的，導通態第一參考單元403和非導通態第二參考單元402可以分別是浮柵電荷被編程和被擦除的狀態； (3)所述列選擇晶體管:第一晶體管404，其柵極受列選擇信號控制，當列選擇信號有效時，該列存儲單元被選中； (4)所述兩個參考單元列選擇晶體管:第二晶體管405和第三晶體管406，其柵極受參考單元列選擇信號控制，當參考單元列選擇信號有效時，對應的參考單元列被選中； (5)所述兩個傳輸門:第一傳輸門408、第二傳輸門409，分別用于控制非導通態的第一參考單元402、導通態的第二參考單元403所在列的開關；所述第一傳輸門408、第二傳輸門409，其實現可以是互補MOS電路的傳輸門，也可以是單個MOS管構成的傳輸門； (6)所述電壓差放大電路407，其輸入是存儲單元所在列的位線電壓，將存儲單元分別處于導通態、非導通態時的位線電壓轉換成低電平和高電平輸出，該輸出連接到第二傳輸門409的控制端。同時其輸出再經過一個反相器414產生一個互補的電平輸出，連接到第一傳輸門408的控制端； 電壓差放大電路407的功能是，在電流源的電流施加在存儲單兀所在列后，當存儲單元處于導通態，存儲單元所在列的位線電壓為一個較低的電壓Vm，當存儲單元處于非導通態時，存儲單元所在列的位線電壓為一個較高的電壓VM，但是，Vm和VM的幅度較小，難以達到直接控制第一傳輸門408、第二傳輸門409的翻轉的幅度，因而，電壓差放大電路可以將Vm轉換為低電平輸出，可將VM轉換為高電平輸出，同時電壓差放大電路407的輸出還經過一個反相器414產生互補的信號，這一對互補的信號用來分別控制第二傳輸門409和第一傳輸門408的開關，以確保每次只有一列參考列被選中。具體工作過程是，如果電壓差放大電路407的輸出是高電平，將表明存儲單元401處于非導通態，則將開啟第二傳輸門409，電流源4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可抗旁路攻擊的非揮發存儲器讀電路，其特征在于包括：存儲單元，第一參考單元，第二參考單元，電壓差放大電路，靈敏放大器，以及電流源，此外，還包括：列選擇晶體管：第一晶體管，兩個參考單元列選擇晶體管：第二晶體管和第三晶體管，兩個讀使能控制的晶體管：第四晶體管和第五晶體管，兩個傳輸門：第一傳輸門、第二傳輸門；其中：（1）所述存儲單元，可以處于導通態或者非導通態，分別表示存儲1或者0數據；（2）所述第一參考單元處于非導通態，第二參考單元處于導通態，且與存儲單元結構相同，分別預先編程為非導通態和導通態；（3）所述列選擇晶體管：第一晶體管，其柵極受列選擇信號控制，當列選擇信號有效時，該列存儲單元被選中；（4）所述兩個參考單元列選擇晶體管：第二晶體管和第三晶體管，其柵極受參考單元列選擇信號控制，當參考單元列選擇信號有效時，對應的參考單元列被選中；（5）所述兩個傳輸門：第一傳輸門、第二傳輸門，分別用于控制非導通態的第一參考單元、導通態的第二參考單元所在列的開關；（6）所述電壓差放大電路，其輸入是存儲單元所在列的位線電壓，將存儲單元分別處于導通態、非導通態時的位線電壓轉換成低電平和高電平輸出，該輸出連接到第二傳輸門的控制端；同時其輸出再經過一個反相器產生一個互補的電平輸出，連接到第一傳輸門的控制端；（7）所述靈敏放大器，將存儲單元列、根據電壓差放大電路的輸出所選擇的參考單元列上的電壓差進行比較放大，輸出讀結果Out；?（8）所述讀使能控制的晶體管：第四晶體管和第五晶體管，在讀使能有效時，分別開啟，使電流源產生的讀電流能施加到存儲單元、被電壓差放大電路的輸出所選擇的第一參考單元或者第二參考單元上。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：解玉鳳，金越，林殷茵，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31