基于混合阶数掩码的门级电路侧信道防护方法

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：赵毅强, 李政阳, 张启智, 叶茂, 夏显召, 李尧, 何家骥

单位：1.天津大学微电子学院 天津 3000722.天津市成像与感知微电子技术重点实验室 天津 3000723.中汽研科技有限公司 深圳 518118

摘要：侧信道分析(SCA)对加密算法的电路实现造成了巨大的威胁。掩码作为硬件防护的常用手段，有效地提高了设计的抗性。但是，在已有的掩码方法中，算法级掩码要求对算法结构的深入了解并且无法保证硬件层面的强化效果；实施在寄存器传输级(RTL)电路的掩码在向硬件电路转换时，由于需要经过逻辑优化，因此难以保持结构，并且难以向高阶发展。实施在门级电路的掩码虽然有其独特的优势，但这类方法要求对泄漏精准地定位并且在部署后容易造成无法控制的开销。此外，单一阶数的掩码方法共有的局限性是，在面对比自身阶数更高的分析方法时往往难以保证防护效果。因此，为解决掩码方案共有局限和实施层级问题，该文提出一种混合阶数掩码方法。该方法针对于门级网表电路设计，融合了不同阶数掩码结构，混淆了传统的单一阶数概念，随机化了敏感变量进而大大提升设计的侧信道分析抗性。同时，该方法保证了更小的硬件开销。为了快速和有效地部署该方案，开发了自动化的掩码框架，集成了电路拓扑分析、泄漏识别和掩码防护。最终，通过模拟仿真方法，评估经过掩码的加密电路门级设计。实验结果表明，该方法实现了1 600倍以上的抗性提升，仅仅造成1.2%的额外面积开销。

关键词：侧信道分析, 掩码防护, 加密算法, 功耗泄漏分析

基金资助：国家重点研发计划青年科学家项目(2023YFB4402800)，天津市科技计划项目(24YDTPJC00020)