项目编号 | I13-2019-F006 |
项目名称 | 高安全低功耗嵌入式系统芯片技术及应用 |
候选单位 | 北京航空航天大学 中国科学院计算技术研究所 中国科学院软件研究所 航天恒星科技有限公司 北京中科睿芯科技有限公司 北京大学 华中科技大学 |
候选人 | 王 翔 肖利民 任 奇 章隆兵 夏同生 张 蕾 范东睿 冯建华 范宝峡 孙华军 王维克 王 涛 赵宗民 张 准 郝 强 |
项目简介 | 嵌入式系统广泛用于国防和国民经济领域。在复杂网络化环境中,嵌入式系统面临着软件漏洞、数据代码被篡改等严重的安全威胁;功耗问题也已成为制约其进一步发展的瓶颈。传统的嵌入式系统难以满足制导等应用领域的高安全、低功耗的迫切需求。
针对复杂网络环境下的安全威胁,提出一种基于芯片内置硬件监控机制的安全嵌入式处理器设计方法,实现了系统代码级安全保护。提出了针对程序代码和数据的篡改型攻击模型,设计了安全体系结构;提出了一种基于数据、代码和控制流等状态参数或耦合参数的程序执行安全监控机制;设计了一种高安全、低资源消耗的轻量级密码杂凑函数及数据代码完整性验证算法;分别对静态和动态信息进行标记及验证,实现了从函数级、基本块级、到指令级等不同粒度的安全监控,并提出了系统快速安全恢复机制。
针对低功耗需求,建立双逻辑低功耗模型和多层次协同功耗优化模型,系统地降低了嵌入式系统功耗。从逻辑探测、极性搜索和转换等阶段,提出了传统布尔和Reed-Muller (TB-RM)双逻辑电路功耗优化方法;基于深度学习,提出了多层次协同功耗优化设计方法;提出了一种粗时间粒度调压细时间粒度调频的混合动态功耗优化方法。
基于上述关键技术,设计了高安全低功耗的芯片及嵌入式系统。完成了SMICCMOS 0.18-0.065 um工艺下的芯片研制。选用典型攻击模型及基准程序的测试验证结果表明,能在资源占用和开销极小的情况下(安全模块占SoC整体硬件资源的13%,系统性能损失低于3.45%),保证系统代码级安全;同时能够降低嵌入式系统功耗(在典型负载情况下,系统功耗降幅最高达31.8%)。
在高安全低功耗嵌入式系统基础上,建立了AlGaN/GaN基量子阱紫外探测器模型,提出了红外-紫外-毫米波及GNSS/INS深耦合的复合制导系统架构,并应用于高动态、抗干扰机弹载北斗/GPS卫星导航接收机等产品中,提高了复合探测的精确度、安全性、可靠性及续航能力。
本项目突破了高安全低功耗嵌入式芯片及系统的基础理论和关键技术:在J of Solid-State Circuits,J of Cryptology等国际顶级期刊上发表高水平SCI论文86篇,并获得IEEE WCC 2013 & AIAA DASC 2009等Best Paper Awards;获得发明专利授权40余项;培养了“万人计划”领军人才等。成果在航天恒星技术有限公司、北京中科睿芯科技有限公司等的制导装备、安全监控和高通量视频处理产品中获得了实际的规模化应用,直接经济效益约1.25亿元,为国防、公共安全和社会经济建设作出了实质性的重要贡献。 |
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