《Electronics》：Securing VLSI Layouts via Format-Preserving Encryption: A Selective Cryptographic Approach for Multi-Tiered GDSII Access
编辑推荐：
向全球化的、无晶圆厂半导体制造模式的转变，将第三方代工厂和外部知识产权(IP)供应商整合到集成电路(IC)设计周期中。虽然这种协作系统促进了创新，但也使布局面临安全威胁。保护这些设计至关重要；然而，应用传统加密方法会从根本上改变行业标准GDSII流格式的语法层
向全球化的、无晶圆厂半导体制造模式的转变，将第三方代工厂和外部知识产权(IP)供应商整合到集成电路(IC)设计周期中。虽然这种协作系统促进了创新，但也使布局面临安全威胁。保护这些设计至关重要；然而，应用传统加密方法会从根本上改变行业标准GDSII流格式的语法层次结构，导致电子设计自动化(EDA)工具崩溃。此外，完全加密阻碍了现代片上系统(SoC)的开发，其中不同团队需要访问设计的特定模块，而无需暴露整个IP。为了解决协作布局共享与零信任安全之间的这个问题，本文提出了一种实现加密引擎的软件。通过将NIST标准化的FF1格式保留加密(FPE)算法直接应用于几何数据，该软件在保持原生GDSII格式的同时混淆了敏感的空间坐标和结构名称。该引擎利用原生元数据属性，将多层加密访问控制直接嵌入到布局中。该框架允许专有逻辑被安全地隔离，确保交互方仅查看他们有权解密的具体结构。
**论文解读：基于格式保留加密的多层GDSII布局安全保护方法**
**研究背景与问题**
现代半导体产业采用高度分布式的无晶圆厂制造模式，集成电路(IC)设计流程整合了第三方代工厂和外部知识产权(IP)供应商。这种协作模式虽加速了创新，但也使物理布局数据面临严重安全威胁，包括IC过度生产、不合格芯片销售以及敏感IP被未授权第三方盗用。布局数据以GDSII格式（行业标准）传输，其层次化结构包含几何坐标、边界、路径及结构引用等关键信息。传统加密方法（如AES-CBC）会彻底改变数据格式和长度，导致电子设计自动化(EDA)工具崩溃，无法用于制造流程。此外，完全加密阻碍了现代片上系统(SoC)开发：不同团队需访问特定模块而不暴露整体IP，而传统访问控制依赖于外部数据库，难以在离线静态布局文件中实现。因此，亟需一种既能保护布局数据机密性，又能保持GDSII格式兼容性，并支持选择性多层访问的加密方案。
**研究内容与结论**
研究人员提出并实现了一个加密引擎，该引擎采用NIST标准化的FF1格式保留加密(FPE)算法，直接对几何数据（坐标和结构名称）进行加密，同时保持GDSII格式的语法层次和文件长度。引擎通过将多层加密访问控制嵌入到布局元数据中，实现了零信任布局共享：不同授权级别的用户仅能解密其权限对应的模块，未授权部分保持为“黑盒”。实验基于10个开源设计（来自[22]的基准测试集）在三种访问层级配置下评估了性能。结果表明，加密过程不引入字节扩展，文件大小开销仅来自元数据标签（约14.1%-64.7%），且解密后文件略小于原始ASCII文件。加密时间与标记块数量呈线性相关（约0.216毫秒/块），吞吐量在加密时约0.76-1.19 MB/s，低级解密时可达7.028 MB/s。N层扩展测试显示，加密时间和文件大小仅随加密模块数量增加，而非层数。与嵌套加密方案相比，单遍标记架构避免了指数级计算开销，加密时间减少约50%，解密时间减少更多。该研究为硬件安全和EDA领域提供了首个将FPE直接应用于VLSI布局的可行方案，实现了格式兼容、选择性可访问的零信任布局分发。论文发表在《Electronics》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1) **FF1格式保留加密**：对几何坐标（十进制基数10）和模块名称（字母数字基数72）分别加密，坐标通过偏移映射到正空间；2) **上下文tweak派生**：使用SHA-256对结构名称、物理层和全局计数器进行哈希，生成唯一tweak，避免相同坐标产生相同密文；3) **选择性处理与前瞻缓冲**：逐块缓存，根据用户JSON配置文件过滤非敏感模块（如标准单元库），仅加密标记为敏感的模块；4) **边界闭合强制**：加密后覆盖多边形最后一个坐标对与第一个相同，保持GDSII规则；5) **元数据标记**：利用GDSII原生PROPATTR（属性99）和PROPVALUE字段，注入包含层级、模块名和层的字符串标签，实现自包含的访问控制；6) **单遍加密架构**：每个模块只加密一次，避免嵌套加密的冗余处理。所有设计测试均使用来自[22]的10个开源布局。
**研究结果**
**5.1 实验设置与基准数据集**
研究人员在搭载AMD Ryzen 7 5825U处理器（4.5 GHz）、16 GB内存、Fedora 43系统的机器上，使用Python 3.14.4和PyCryptodome库，对10个开源设计进行测试。设置两种安全场景：场景1模拟零信任中间商（L1无权解密，L2部分解密，L3完全解密）；场景2模拟协作开发（不同团队按需解密不同子模块）。每个场景下记录每个层级加密的模块数和受影响的几何块数。
**5.2 加密与解密文件大小**
FF1加密不引入字节扩展，文件大小增长完全来自元数据标签。场景1开销14.1%-34.5%，场景2因标签更多达64.7%。解密时，随着授权层级提高，标签被移除，文件大小逐渐减小。完全解密文件略小于原始ASCII文件（因引擎主动去除空格字符）。该开销不泄露加密几何的复杂度或拓扑信息。
**5.3 处理成本：执行时间与每标记块时间**
加密时间与标记块数呈线性相关。以最大设计（jpeg，场景2）为例，完整三级加密约97秒，处理447,518块，平均0.216毫秒/块。解密时，L3解密约91秒，L1解密约22秒。每块处理时间受顶点密度（复杂多边形更多坐标）和字符串加密（基数72开销高于基数10）影响，但整体开销可预测。
**5.4 加密与解密吞吐量**
三级加密吞吐量约0.76-1.19 MB/s。低级解密时，因绕过未授权块，吞吐量大幅提升，例如parameterized_fft设计的L1解密达7.028 MB/s，验证了前瞻缓冲和选择性过滤的高效性。
**5.5 N层可扩展性**
在jpeg设计上测试3、5、10层配置，加密文件大小从115.4 MB增至120 MB，加密时间从92.3秒增至104.5秒，标准差约1.3秒，证明单遍架构不随层数增加额外开销。解密时间从134.3秒增至364.1秒，输出文件总大小从281 MB增至1026.1 MB，该增长受限于I/O写入。
**5.6 与嵌套加密方案对比**
模拟嵌套加密（每层重复加密更高层数据）的时间成本。对于jpeg设计，嵌套加密需196.39秒，解密需203.43秒，而本文单遍标记架构仅需96.86秒和91.09秒，显著减少了计算负担。
**总结讨论与结论**
讨论部分指出，该研究在IC布局领域首次实现了FPE与多层加密访问控制的实用集成。结果证实单遍标记架构线性扩展，避免嵌套加密的计算开销，但引入了适度的文件大小开销（来自元数据标签）。由于半导体行业闭源特性，实验仅基于开源设计，但方案在语法层级操作，性能与多边形密度和层次深度相关，而非功能复杂度，因此具有代表性。未来工作包括优化元数据架构（如层次化标记或字典压缩）、扩展到OASIS格式（GDSII的继任者），以及利用图神经网络自动识别敏感模块。研究结论：本文提出了一种通过格式保留加密和多层访问控制安全保护VLSI布局的引擎，在保持GDSII格式兼容性和EDA工具可用性的前提下，实现了零信任布局分发，使不同授权方仅能访问其权限内的结构。
