【Soc级系统防御】Soc全流程电子硬件概述

电子硬件概览

• FET：场效应晶体管
• FET是场效应晶体管，它通过控制栅极电压来控制源极和漏极之间的电流，从而实现逻辑功能。
• CMOS：硅基互补金属氧化物半导体晶体管
• CMOS是互补金属氧化物半导体晶体管，它是一种基于硅基材料的半导体器件，具有高速度、低功耗、高集成度等优点。
• 摩尔定律已经失效，正在寻找“超越摩尔”的技术
• 为了超越摩尔定律，人们正在探索新的技术，如三维集成、柔性电子、生物电子等。

一、数字逻辑

数字逻辑是处理数字信号的逻辑，实质上是指基于二进制数学或布尔代数的逻辑。指用数字表示数字电路的信号和序列。

• 1、二进制逻辑：正电压表示为逻辑1、高、真(true)；无电压表示为逻辑0、低、假(false)
• 2、数字逻辑门：

• 3、时序电路：现代数字逻辑电路分为组合逻辑和顺序逻辑（有存储功能）
• ①时序电路元件：触发器（锁存器），D型、T型（反转）、JK型
• ②计时参数：设置时间、保持时间、传输延迟

学习资料：数电基础：时序逻辑电路[1]

二、ASIC 和 FPGA

• 1、ASIC(Application - Specific Integrated Circuit）专用集成电路

为特定用途制造的集成电路，性能高、功能复杂、功率消耗低、单元较小、单位成本低，但开发周期长、设计流复杂、初始成本高、偶发成本高，在大批量生产上具有优势

• 2、FPGA(Field-Programmable Gate Array）现场可编程门阵列

对已制造完成的芯片进行配置的集成电路， 由一组可编程的逻辑块和可重构连接器构成，是现场可编程的 。逻辑块可通过重新配置连接器进行连接，配置不同的功能。其灵活、上市时间快、设计简单、可升级而不改变硬件，但功率消耗高、性能中等、单元成本高、资源浪费。在中等批量的生产上具有优势。

还可以用来搭建原型验证平台。

三、印制电路板（PCB - Printed Circuit Board )

• 1、PCB的设计流程：
• 前期准备： 这包括准备元件库和原理图。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用peotel 自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。
• PCB结构设计： 这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在PCB 设计环境下进行设计。
• PCB布局： 这主要是指在PCB板上放置元器件的位置。布线：是指根据已经设计的PCB布局，通过具体的连接方式将元器件连接起来。
• 布线优化和丝印： 主要是对已经完成的布线进行优化，比如调整走线的角度、长度等，以及添加丝印等。
• 网络和DRC检查和结构检查： 这是指对已经完成的PCB设计进行网络检查和结构检查，以确保其满足设计要求。
• 制版： 是指将设计好的PCB图纸送到工厂进行制作，制作完成后进行测试和验收。
• 2、PCB生产流程：轮廓、创建铜线路、钻孔、焊上元件、Gerber文件 有点意思：电路板厂之PCB制作工艺过程展示！（动图讲解）[2]
• 基材准备： 选择合适的基材，通常是玻璃纤维增强的环氧树脂（FR-4），进行切割和平整处理。
• 表面处理： 在基材表面进行清洁、去氧化和化学处理，以增强粘附性能。
• 涂覆铜箔： 在基材上涂覆一层铜箔，形成导电层。
• 图形化蚀刻： 将Gerber文件的图形信息通过光刻技术转移到涂覆的铜箔上，并使用化学溶液蚀刻掉未受保护的部分。
• 孔位钻孔： 根据设计需要，在板上钻孔，形成连接电路和安装孔位。
• 金属化处理： 在钻孔后，对板面进行金属化处理，以增强电路连通性。
• 追踪线路： 在板上涂覆保护层，并通过蚀刻或化学方法形成所需的导线路径和连接。
• 表面处理： 根据要求，在PCB表面进行阻焊涂覆和表面处理，以保护电路和增强焊接性能。

四、嵌入式系统

基于微处理器或微控制器的系统， 为特定功能而设计 。微控制器是一个整体，包括 CPU。其搭载的软件通常需要工作在内存较少的简单环境中。

五、硬件-固件-软件交互

• 硬件是计算机系统的物理部分 ，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、基本输入输出系统（BIOS）等。
• 固件负责在硬件和软件之间建立通信 ， 并管理计算机的基本功能 。它通常被存储在只读存储器（ROM）或可编程只读存储器（PROM）中。
• 软件是计算机系统的非物质部分，包括操作系统、编译器和应用程序等 。操作系统负责管理计算机的资源，编译器负责将源代码转换为机器代码，而应用程序则为用户提供特定的功能。

在硬件、固件和软件的交互中， 固件会与硬件进行通信，将硬件的状态和信息提供给操作系统和编译器 。

而操作系统则会根据固件提供的信息，管理硬件资源，并向应用程序提供服务。

编译器则将应用程序的源代码转换为机器代码，以便操作系统能够执行。

计算机固件根据所在设备的不同可以分为多种类型，最常见的有主板固件、显卡固件、鼠标键盘固件等。每一种固件都具有自己独特的功能和操作方式。

固件作为硬件的控制程序，起到了以下几个重要作用：

• 启动系统：固件负责电脑的启动过程，可以加载操作系统，进行初始化设置和硬件自检等操作。
• 管理硬件：固件可以管理电脑硬件的工作状态，包括电源管理、温度监控、风扇转速控制等。
• 支持扩展设备：固件可以支持新设备的接入和识别，保证硬件的兼容性和稳定性。
• 升级与维护：固件可以进行升级和修复，提供新功能和修复已知问题，提高硬件的性能和稳定性。

片上系统的设计与测试

本章讲述 SoC 的设计流程、SoC 测试验证的流程和原理

在设计VLSI（超大规模集成电路）时，会设定一个时序裕度，保证芯片的稳定运行。但IC上的门密度和设计复杂度在不断增加，在纳米尺度的制造工艺下将可能引入更多制造缺陷。因此， 验证测试和制造过程的正确性变得越来越重要 。

一、基于 IP 的 SoC 生命周期

SoC（system on chip）片上系统 是一个包含给定系统所需所有元件的集成电路，通常包括模拟、数字和混合信号IP核心。

1、SoC的生命周期 ：

• 设计阶段： 在这个阶段，制定设计规范，随后将所有IP内核集成，并植入DFT结构，生成网表和GDSII格式文件。这个阶段需要经过详细的规划和测试，以确保设计的正确性和性能。
• 制造阶段： 在制造阶段，将在晶圆片上进行光刻和化学处理，以制造出芯片。这个阶段需要使用精密的设备和工艺，以生产出高质量的产品。
• 装配阶段： 即IC封装，装上外壳，并提供电气连接和散热的热路径，以保护芯片。这个阶段需要使用先进的封装技术，以确保芯片能够正常工作并得到良好的保护。
• 发行阶段： 在发行阶段，产品将被分销到各个销售渠道，供消费者购买和使用。这个阶段需要制定市场策略和销售计划，以促进产品的销售和推广。
• 系统集成阶段： 在系统集成阶段，与多个器件一同集成为一个系统。这个阶段需要考虑如何将各个功能模块集成在一起，以实现系统的完整性和稳定性。
• 退役阶段： 在退役阶段，产品将不再被生产和销售，并逐渐退出市场。这个阶段需要进行产品的清理和回收，以保护环境和资源。

在整个SoC的生命周期中，需要不断地进行优化和改进，以提高产品的性能、降低成本并满足市场需求。同时，也需要不断地更新技术，以保持公司的竞争力和市场地位。

2、SoC的设计流程：

SoC 技术设计系统芯片，一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分： 芯片硬件设计和软件协同设计 。

芯片硬件设计包括：

• ①制订设计规范，并指定一个IP列表实现既定规范。（3PIP的购买：软IP核以HDL交付；硬IP核以GDSII交付；固定IP核使用通用库交付。
• ②将所有IP集成，加入DFT结构，生成RTL描述（完整的系统级数字电路描述）和网表。
• ③门级网表被转换为基于逻辑单元格和I/O几何图形的物理布局
• ④进行测试，测试完毕后，发往代工厂进行制造

二、SoC 的验证测试流程

验证阶段又称硅前验证 ，即在流片前确保从设计规范到网表的功能正确和正确转换的过程；

测试阶段 ，是流片后的制造测试和生产测试的过程。

• IP 验证 IP 是任何 SoC 的基本构建块。因此，IP验证需要详尽的白盒验证，这需要形式验证和随机模拟等方法，特别是对于处理器IP，因为一切都是由它们作为任何SoC的核心组件启动和驱动的。下图 显示了我们如何通过基于 SystemVerilog 的 UVM TB 的详尽随机模拟来验证处理器 IP。所有处理器指令都可以使用各种随机值进行模拟，从而生成功能、断言和代码覆盖率。我们使用覆盖范围来衡量验证的进度和质量，然后进行最终的验证签核 IP 级验证要求在 HVL 编程、正式和动态 ABV、仿真调试以及使用 VIP 和 EDA 工具方面具备良好的专业知识。
• ABV- 基于断言的验证，VIP – 验证 IP
• UVM-通用验证方法 UVC-UVM 验证组件
• BFM总线功能模型VIP验证IP RAL寄存器抽象层

• 子系统验证 子系统主要由预验证的IP和一些新建的IP组成，例如特定于芯片的网桥和系统控制器。图 显示了我们如何从子系统构建 SoC，该子系统使用 AMBA 等片上总线集成了所有必要的接口 IP、网桥和系统控制器。在这种情况下，我们更喜欢基于模拟的灰盒验证，特别是使用验证IP的随机模拟。所有VIP，如AXI，AHB，APB，GPIO，UART，SPI和I2C UVC [UVM验证组件]都将配置并与各自的接口连接。如图所示，我们创建了其他 TB 组件，如参考模型、记分板和 UVM RAL，以使验证环境自检。我们在顶层执行各种VIP UVM序列，验证数据流，并测量总线的性能。

• SoC验证 SoC主要由预先验证的第三方IP和一些内部IP组成。通常，我们更喜欢使用硬件仿真或模拟（simulation/emulation）技术进行黑盒验证，以进行SoC级验证。例如，您可能会遇到复杂的 SoC 验证环境，如下图 所示。SoC测试平台[TB]将具有各种测试平台组件，如标准UVM验证IP[USB /蓝牙/WiFi和标准接口]，带有UVM包装器的传统HDL TB组件[JTAG Agent]，自定义UVM代理[固件代理]，以及一些显示器，以及记分牌和SystemC / C / C++功能模型。在这种情况下，您将不得不在芯片级别处理固件和UVM序列。作为验证工程师，您需要知道如何使用标准 VIP、传统 HDL BVM 和固件代码实现这种混合验证环境，更重要的是，了解如何使用 EDA 工具自动执行simulation/emulation。

深入一下：SoC Verification Flow and Methodologies[3]

1、SoC的验证流程

• ①对 IP进行单独验证 。
• ② 基于接口协议 ，对芯片中各块接口进行验证
• ③ 系统级验证 ，通过 仿真软件进行硬件和软件的验证 。分别进行功能验证和结构验证。
• ④对IC的物理布局进行验证。验证完成。

2、SoC的测试流程

• ①晶圆测试，为晶圆提供电气刺激进行测试
• ② 识别制造缺陷或故障 ，使用自动测试模式生成工具ATPG
• ③对芯片进行表征，找出芯片的理想工作参数
• ④功能测试和结构测试
• ⑤封装模具的老化应力测试

三、调试性设计

SoC调试，即硅后验证，在第一个硅制造后进行 。调试支持由 芯片上的调试性设计架构和软件组成 。其策略是 将接入点放置在系统中 ，由它的接口获得和控制芯片内部信号。

电子系统中有三种元件需要测试：数字逻辑、内存块、模拟或混合信号电路。制造测试成本主要取决于测试数据的数量和测试时间

ATPG 扫描测试（又叫ATPG）。scan path。与边界扫描测试的区别，是内部移位寄存器实现的测试数据输入输出。测试目标是std-logic，即标准单元库。（扫描测试和边界扫描，不是一个概念。需要区别对待。内部的触发器，全部要使用带SCAN功能的触发器类型。）

Boundary scan Boundary scan：边界扫描测试；boundary scan test。测试目标是IO-PAD，利用jtag接口互连以方便测试。（jtag接口，实现不同芯片之间的互连。这样可以形成整个系统的可测试性设计。）

Lbist Lbist：LBIST 是一种内置自测 (BIST) 形式，其中芯片内部的逻辑可以在芯片本身上进行测试，而无需任何昂贵的自动测试设备 (ATE)。BIST 引擎内置于芯片内部，只需要像测试访问端口 (TAP) 这样的访问机制即可启动。Lbist的组成部分 片上lbist一般由三部分组成：BIST controller、TPG (Test Pattern Generator)、RA (Response Analyzer)。

mbist mbist：内建自测试BIST；（模拟IP的关键功能，可以开发BIST设计。一般情况，BIST造成系统复杂度大大增加。memory IP一般自带BIST，简称MBIST）

loading board loading board：LOAD BOARD通常用于测试半导体器件的电气特性，例如电流、电压、功率等。它是连接测试设备和被测试芯片的桥梁，通常包括一些接口，例如引脚插座、测试点和电源接口等。LOAD BOARD的设计必须与被测试器件的引脚布局相匹配，以确保测试结果的准确性和可重复性。

BURN IN BOARD BURN IN BOARD则用于加速半导体器件的老化过程，以检测器件在长期使用中的可靠性。它通常包括一个温度控制系统，用于控制被测试器件的环境温度。BURN IN BOARD还可以模拟真实世界的使用条件，例如高温、低温、高压和高湿等。因此，LOAD BOARD和BURN IN BOARD的主要区别在于它们的用途。LOAD BOARD主要用于测试器件的电气特性，而BURN IN BOARD则用于测试器件在长期使用中的可靠性。

1、DFT调试技术概览

• ①扫描：对所有在扫描设计中的存储元件进行访问和控制。
• ②扫描触发器（SFF）：性能开销低，但速度慢
• ③扫描链：将扫描触发器连成一串，然后将扫描值与SO值（扫描输出值）进行比较
• ④扫描测试压缩：利用少量的测试的重要值来减少测试数据和测试时间
• ⑤边界扫描：边界扫描技术利用边界扫描链，在芯片内部的信号线上插入测试信号，从而实现对芯片内部电路的测试和诊断。有效降低了PCB制造成本。

2、全速延迟测试

用于检测计时相关故障的方法

• ①故障类型：转换故障（慢升和慢降造成的延迟），路径延迟故障（路径上的累计延迟）
• ②两种方法：LOS和LOC

印制电路板 ：设计与测试

本章讲述 PCB 的历史、生命周期、设计验证、装配流程

印制电路板PCB是基于基地结构的非导电板，为电路电气元件提供电气连接和机械支撑。

一、PCB 的历史

在PCB量产前，通常使用点对点的飞线连接；

早期PCB是在电路板材料上钻孔，并在孔中植入黄铜。

20世纪20年代，PCB诞生，申请了第一个专利；

20世纪30年代到40年代，PCB在二战中得到广泛运用；

20世纪50年代，发明了酸刻蚀铜金属电路板的方法；

20世纪80年代，表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT）的发展在1980年代引入了新的PCB制造和组装方法；

现代，三维PCB、柔性PCB。

二、PCB 的生命周期

PCB的生命周期与SoC的生命周期类似

设计规范->PCB设计->PCB原理图->PCB布局->制造和装配->检测验证

三、PCB 的设计验证

恶意攻击者可以利用当今复炸而高度集成的PCB设计， 借助隐藏孔或无源嵌入式元件 ，以 硬件木马的形式篡改或植入额外的恶意电路 ，目前行业并无有效的安全措施来防御。

1、PCB检查

• ①自动光学检查（AOI)：多次拍照，拼接成一个完整的大图像，与设计图进行比对。
• ②自动X射线检查：利用不同材料对X射线的吸收率不同，对PCB进行检查

2、PCB测试

• ①芯片内测试：万用表原理
• ②功能测试
• ③JTAG边界扫描测试

小结

到这里我们就对电子硬件、片上系统、PCB都有了一定认识。学习硬件安全的前提是我们得了解硬件，了解它的设计、测试、生产，才能指导在哪里会面临安全风险，以及才有什么样的手段去增加硬件的安全性。