关于反熔丝FPGA的结构和原理以及其在密码芯片设计中的运用浅析

1 引言

随着计算机和通信的发展，信息传输过程中信息安全的重要性越来越受到人们的重视。在信息传输过程中，人们普遍采用将待传输的信息加密进行传输，然后在收端进行解密还原信息。对信息的加解密通常采用两种方法：软件加解密和硬件加解密。软件加解密实现简单，但须对密码算法进行多重保护存放且加解密速度较慢，而硬件加解密可加快加解密运行速度。在当今信息网络化的环境下，对加密的速度要求将越来越高，如：在ATM、帧中继、ISDN PRI等领域的加密，将会有数兆或数十兆以上的速度要求，所以硬件加密将是今后首选的加密手段。目前运用的硬件加解密，大都采用SRAM型的FPGA实现，必须外挂一EEPROM存储加载FPGA的数据，这就为信息安全带来了巨大隐患，特别是在运用于军事、政府等部门的保密通信产品中。要求重要信息不得以明文的形式出现。另外，SRAM型FPGA速度较慢，延迟时间不定，也大大限制了它们在一些特殊场合下的运用。

2 反熔丝FPGA的结构和原理

曾经，人们为了保护芯片中的内容不能读出而采取定制或半定制的办法，但这种方法生产周期长、不适合小批量生产。反熔丝FPGA的出现解决了人们的苦恼，大大方便了这种特殊应用的需要。目前，生产反熔丝FPGA芯片的厂家有QUICKLOGIC、ACTEL等几家。其中，QUICKLOGIC公司的反熔丝FPGA在我国开始大规模应用。

QUICKLOGIC公司的ViaLink反熔丝(Antifuse)结构是由四层金属层和中间的覆盖硅的钨通道组成。覆盖硅的钨通道具有高电阻和高电容特性，起到金属层之间绝缘层的作用，其电阻大于1千兆欧姆。但当编程电压作用于被选择的覆盖硅的钨通道时，硅将转变成低电阻连接，其电阻小于50Ω。因为这种结构不同于SRAM型的FPGA，它没有配置存储器，因此

编程内容是不可能被读出的，正是该种特性使得该系列芯片在保密通信领域具有广泛的应用前景。

反熔丝FPGA对于大多数设计可提供实现较好的性能，这是由于其可编程链路的电阻较小(反熔丝接点电阻50Ω左右)，具有较好的布线灵活性，不会妨碍信号传送，并以最直接

的通路进行，因而可大大提高芯片速度。众所周知，随着工艺的改进，SRAM型FPGA其触发器翻转速度已经做得很高，而芯片的速度仍然受限，其原因是信号在芯片内传输过程中所

耗时间占整个时延的60%左右，这就限制了整个芯片的速度。

目前，虽然反熔丝FPGA单片密度较SRAM FPGA的单片密度低，但对于大多数反熔丝FPGA在如下方面仍占领先的地位：布线结构的灵活性，使软件工具能够较容易的实现自动的布局、布线，且修改设计时，即使重新布线也可保持原配置的输出管脚不变。同时，在反熔丝FPGA之中的设计修改通常能保证在时延上变化很少，这是因为布线改变时所需的附加的可编程链路的时延增加不多。另外，反熔丝FPGA还具有功耗低、抗辐射能力强，耐高低温等优点。

因此，反熔丝FPGA的特性使得其在保密通信产品中具有特殊的应用。充分利用反熔丝FPGA的特性，可提高密码算法芯片的加解密速度，同时利用反熔丝FPGA的编程内容不能读出，保护密码模块中的主算法，避免了其他的物理保护，从而提高了系统的安全性。