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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- FPGA位流解析及逆向工程
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品為FPGA位流解析及逆向工程項(xiàng)目。FPGA芯片（可編程門陣列器件）為國外壟斷的技術(shù)產(chǎn)物，其在軍事國防、民用通信、科學(xué)研究等方面有著無法替代的作用（重要設(shè)備及儀器中的關(guān)鍵核心部件，不亞于PC機(jī)上的CPU），那么如果能掌握先進(jìn)FPGA芯片電路設(shè)計(jì)技術(shù)具有重大的意義。本作品展現(xiàn)形式為一套完整的FPGA位流軟件分析工具,其具有將FPGA內(nèi)部位流數(shù)據(jù)（位流：FPGA芯片電路形態(tài)的配置數(shù)據(jù)）讀取出來進(jìn)行分析,然后逆向生成電路網(wǎng)標(biāo)(有的型號(hào)FPGA已可支持解析到可綜合的RTL代碼)的能力.本作品研究核心是建立了一套FPGA位流的逆向分析方法，深度剖析了芯片構(gòu)造，同時(shí)提出了SK和SUK具有獨(dú)立于芯片制造工藝的具有普適意義的分析算法。我們成功的解析了30余種FPGA芯片，分析數(shù)據(jù)為超過900萬位，并以此建立了分析數(shù)據(jù)庫。
- 詳細(xì)介紹：
- FPGA通過位流配置可以生成相應(yīng)的電路，核心技術(shù)的重要性都為廠商保密。本文中闡述了兩方面創(chuàng)新研究成果：第一，對(duì)某類FPGA芯片建立了一套配置位流的逆向分析方法，深度剖析內(nèi)部構(gòu)造的研究過程。利用黑盒測(cè)試及控制單因子變量方法，獲取了大量控制晶體管通斷的重要數(shù)據(jù)及其位置信息，確定以基本單元結(jié)構(gòu)（CLB、GRM）的數(shù)據(jù)測(cè)定和單元結(jié)構(gòu)間數(shù)據(jù)換算公式推導(dǎo)相結(jié)合的工作方向。第二，提出了SK和SUK普適的分析算法,可獨(dú)立于大部分FPGA芯片制造工藝對(duì)位流進(jìn)行分析。第三，開發(fā)了相應(yīng)的分析工具支持從FPGA內(nèi)部讀取位流后反向生成網(wǎng)表（部分型號(hào)FPGA已可支持直接反向分析至Verilog HDL硬件描述語言）。通過大量分析所得到的數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，分析工具得以對(duì)任意位流進(jìn)行解析。從其國防意義角度逆向工程可以幫助采用FPGA的尖端設(shè)備電路得以分析。從民用領(lǐng)域意義角度，我們的分析工具可以提供不同種類的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)替換。從學(xué)術(shù)研究價(jià)值角度逆向工程可以使得可重構(gòu)計(jì)算（Reconfigure Computing）及進(jìn)化硬件（Evolve Hardware）研究得以發(fā)展。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的: FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片作為西方發(fā)達(dá)國家壟斷技術(shù)產(chǎn)品，因其在軍事國防、民用通信、科學(xué)研究等領(lǐng)域有著無法替代作用，我國也長期依賴進(jìn)口。位流配置作為其芯片核心技術(shù)一直被保密。若實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA位流配置技術(shù)的解析，那么對(duì)于可重構(gòu)計(jì)算、硬件進(jìn)化等研究，以及剖析采用FPGA制造的尖端設(shè)備都將有重大意義。本作品旨在于對(duì)使用FPGA開發(fā)的芯片電路能夠得到分析，而非克隆FPGA芯片，同時(shí)對(duì)我國自主設(shè)計(jì)FPGA提供借鑒。 思路及研究步驟： 1.剖析商用FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。2.尋找分析配置位流文件的方法，并設(shè)計(jì)破譯算法。3.根據(jù)2中獲取分析的方法來破解配置位流文件，找到對(duì)應(yīng)FPGA內(nèi)部可編程晶體管的關(guān)系。4.驗(yàn)證分析方法、位流文件數(shù)據(jù)覆蓋率及正確性。5.建立數(shù)據(jù)庫及開發(fā)相應(yīng)的位流分析工具。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.建立了一套FPGA配置位流的逆向分析方法，從理論和實(shí)驗(yàn)上都驗(yàn)證了其有效性。2.提出了SK和SUK普適的分析算法,可獨(dú)立于大部分FPGA芯片制造工藝對(duì)位流進(jìn)行分析。3.開發(fā)了相應(yīng)的分析工具支持從FPGA內(nèi)部讀取位流后反向生成網(wǎng)表（部分型號(hào)FPGA已可支持直接反向分析至基于Verilog HDL硬件描述語言的可綜合RTL代碼）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： 該作品的核心——配置位流的逆向分析方法，擁有嚴(yán)格的理論推導(dǎo)過程，同時(shí)通過對(duì)FPGA內(nèi)部構(gòu)造的深度剖析以及大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，保證了該作品基于的理論基礎(chǔ)是科學(xué)有效的。 先進(jìn)性： 1.該作品使用的逆向分析方法是普遍適用的，可以運(yùn)用于分析其他所有FPGA型號(hào)。 2.該作品開創(chuàng)性地完成對(duì)位流配置技術(shù)的解析，克服了數(shù)據(jù)量大，參考資料有限的障礙。 3.該作品成功地將分析技術(shù)及數(shù)據(jù)整合進(jìn)分析工具，完成了數(shù)據(jù)庫搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意位流的分析功能。 這項(xiàng)作品的實(shí)質(zhì)性成果：已成功破解了某美國公司FPGA，從Spartan3產(chǎn)品系列至目前最先進(jìn)的Virtex5系列，5萬門至800萬門規(guī)模不等共計(jì)30余種FPGA芯片，支持從芯片內(nèi)部讀取位流后逆向生成電路網(wǎng)標(biāo)。我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量超過9000萬位，即分析了9000萬個(gè)FPGA晶體管控制關(guān)系。具體請(qǐng)參閱表后附論文及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 準(zhǔn)備投產(chǎn)目前已完成開發(fā)
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓或技術(shù)授權(quán)方式，其次我們可提供我們技術(shù)的軟件工具進(jìn)行轉(zhuǎn)讓或生產(chǎn)銷售。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)成演示、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- FPGA位流解析是具有原創(chuàng)性技術(shù)作品，國內(nèi)外還未有過相關(guān)研究報(bào)道（未公開或者發(fā)表）。該作品為成功分析基于FPGA的高端設(shè)備內(nèi)部黑盒結(jié)構(gòu)提供了有效的技術(shù)手段和工具，給我國同類相關(guān)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了較先進(jìn)的技術(shù)參考，同時(shí)縮小與國外高端芯片設(shè)計(jì)技術(shù)間的差距。通過該技術(shù)我們可以解析采用FPGA的尖端設(shè)備，并可以此自主研發(fā)擁有我國完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同類產(chǎn)品或同水平產(chǎn)品，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，對(duì)硬件進(jìn)化和重構(gòu)計(jì)算學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域帶來了實(shí)踐意義。該作品擁有由大量基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)組建的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量在不斷擴(kuò)充，為FPGA位流分析的普遍適用性提供了保障。
同類課題研究水平概述
- FPGA的應(yīng)用案例：目前已知在2008年北京奧運(yùn)年會(huì)開幕上巨大的畫卷LED顯示屏,絢麗的圖案效果讓人記憶猶新,在這之中均采用美國某公司制造的FPGA來進(jìn)行控制，數(shù)量高達(dá)4000余片.[2]CERN(歐洲核子研究中心)剛剛在歐洲建造完成的世界最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中為了幫助科學(xué)家檢測(cè)新粒子的存在在整個(gè)系統(tǒng)中使用了120余片某美國FPGA公司Virtex4型號(hào)的FPGA .[6] 在研究中查閱了已知公開的文獻(xiàn)資料[3][4][5],雖然不同的公司FPGA工藝和架構(gòu)不同，但其基本結(jié)構(gòu)以及位流配置原理基本相似。在少數(shù)相關(guān)的研究工作中，更多地關(guān)注位流配置可能的策略分析，從理論上論證對(duì)位流配置技術(shù)解析的可行性，而并沒有在實(shí)際中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行破解。[1] 在重構(gòu)計(jì)算和硬件進(jìn)化研究中，盡管需要獲得FPGA位流配置方法進(jìn)行更為深入的研究，然而由于缺乏有效地方法和手段，使得研究處于相對(duì)停滯狀態(tài)。 [1] J Note, é Rannaud. From the bitstream to the netlist. Proceedings of the 16th international ACM/SIGDA symposium on Field programmable gate arrays, 2008 [2] [3]J. Rose,A El Gamal and A.Sangiovanni-Vincentelli,"Architecture of Field-Programmable Gate Arrays,"Proceeding of the IEEE,July 1993,pp.1013-1029 [4]P.Chow,S.Seo,J.Rose,K.Chung,G.Paez and I. Rahardja,"Thr Design of an SRAM-Based Field-Programmable Gate Array,Part II:Circuit Design and Layout," To appear in IEEE Trans. on VLSI [5] /article/89749.htm
