基本信息
- 項目名稱：
- FPGA位流解析及逆向工程
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品為FPGA位流解析及逆向工程項目。FPGA芯片（可編程門陣列器件）為國外壟斷的技術產(chǎn)物，其在軍事國防、民用通信、科學研究等方面有著無法替代的作用（重要設備及儀器中的關鍵核心部件，不亞于PC機上的CPU），那么如果能掌握先進FPGA芯片電路設計技術具有重大的意義。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)）讀取出來進行分析,然后逆向生成電路網(wǎng)標(有的型號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，同時提出了SK和SUK具有獨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。
- 詳細介紹：
- FPGA通過位流配置可以生成相應的電路，核心技術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)測定和單元結(jié)構(gòu)間數(shù)據(jù)換算公式推導相結(jié)合的工作方向。第二，提出了SK和SUK普適的分析算法,可獨立于大部分FPGA芯片制造工藝對位流進行分析。第三，開發(fā)了相應的分析工具支持從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)建立相應的數(shù)據(jù)庫，分析工具得以對任意位流進行解析。從其國防意義角度逆向工程可以幫助采用FPGA的尖端設備電路得以分析。從民用領域意義角度，我們的分析工具可以提供不同種類的FPGA進行設計替換。從學術研究價值角度逆向工程可以使得可重構(gòu)計算（Reconfigure Computing）及進化硬件（Evolve Hardware）研究得以發(fā)展。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的: FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片作為西方發(fā)達國家壟斷技術產(chǎn)品，因其在軍事國防、民用通信、科學研究等領域有著無法替代作用，我國也長期依賴進口。位流配置作為其芯片核心技術一直被保密。若實現(xiàn)對FPGA位流配置技術的解析，那么對于可重構(gòu)計算、硬件進化等研究，以及剖析采用FPGA制造的尖端設備都將有重大意義。本作品旨在于對使用FPGA開發(fā)的芯片電路能夠得到分析，而非克隆FPGA芯片，同時對我國自主設計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)細節(jié)。2.尋找分析配置位流文件的方法，并設計破譯算法。3.根據(jù)2中獲取分析的方法來破解配置位流文件，找到對應FPGA內(nèi)部可編程晶體管的關系。4.驗證分析方法、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)相應的位流分析工具。 創(chuàng)新點： 1.建立了一套FPGA配置位流的逆向分析方法，從理論和實驗上都驗證了其有效性。2.提出了SK和SUK普適的分析算法,可獨立于大部分FPGA芯片制造工藝對位流進行分析。3.開發(fā)了相應的分析工具支持從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）。
科學性、先進性
- 科學性： 該作品的核心——配置位流的逆向分析方法，擁有嚴格的理論推導過程，同時通過對FPGA內(nèi)部構(gòu)造的深度剖析以及大量實測數(shù)據(jù)的驗證，保證了該作品基于的理論基礎是科學有效的。 先進性： 1.該作品使用的逆向分析方法是普遍適用的，可以運用于分析其他所有FPGA型號。 2.該作品開創(chuàng)性地完成對位流配置技術的解析，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及數(shù)據(jù)整合進分析工具，完成了數(shù)據(jù)庫搭建，實現(xiàn)對任意位流的分析功能。 這項作品的實質(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的Virtex5系列，5萬門至800萬門規(guī)模不等共計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。我們的實驗數(shù)據(jù)量超過9000萬位，即分析了9000萬個FPGA晶體管控制關系。具體請參閱表后附論文及實驗數(shù)據(jù)樣本。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 準備投產(chǎn)目前已完成開發(fā)
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 知識產(chǎn)權轉(zhuǎn)讓或技術授權方式，其次我們可提供我們技術的軟件工具進行轉(zhuǎn)讓或生產(chǎn)銷售。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)成演示、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- FPGA位流解析是具有原創(chuàng)性技術作品，國內(nèi)外還未有過相關研究報道（未公開或者發(fā)表）。該作品為成功分析基于FPGA的高端設備內(nèi)部黑盒結(jié)構(gòu)提供了有效的技術手段和工具，給我國同類相關芯片設計領域提供了較先進的技術參考，同時縮小與國外高端芯片設計技術間的差距。通過該技術我們可以解析采用FPGA的尖端設備，并可以此自主研發(fā)擁有我國完全知識產(chǎn)權的同類產(chǎn)品或同水平產(chǎn)品，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值。同時，對硬件進化和重構(gòu)計算學術研究領域帶來了實踐意義。該作品擁有由大量基于實驗測試的數(shù)據(jù)組建的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量在不斷擴充，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的應用案例：目前已知在2008年北京奧運年會開幕上巨大的畫卷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來進行控制，數(shù)量高達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子對撞機中為了幫助科學家檢測新粒子的存在在整個系統(tǒng)中使用了120余片某美國FPGA公司Virtex4型號的FPGA .[6] 在研究中查閱了已知公開的文獻資料[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)相關的研究工作中，更多地關注位流配置可能的策略分析，從理論上論證對位流配置技術解析的可行性，而并沒有在實際中對該技術進行破解。[1] 在重構(gòu)計算和硬件進化研究中，盡管需要獲得FPGA位流配置方法進行更為深入的研究，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
