集成电路是信息技术的核心,在社会经济发展和国家安全领域都扮演着至关重要的角色。在经济全球化的驱动下,为了加快集成电路开发并降低最终成本,大多数公司通常将芯片掩膜生产与制造外包给第三方代工厂,导致供应链无法得到完全控制。攻击者可通过硬件木马的植入实现机密信息窃取、电路功能篡改等目的。因此,开展硬件木马检测技术研究对提高集成电路自主可控、自主可信和保障我国各类信息系统安全具有重要意义。本文课题来源于973项目。针对物理布局级硬件木马,提出了一种硬件木马检测方法并建立了完整的检测流程。该方法在芯片设计阶段完成检测结构的植入,通过对比待测芯片与黄金模型的环形振荡器模块和逻辑功能模块输出指纹实现硬件木马的检测,具有硬件开销低、防护作用强、检测精度高的特点。首先,针对环形振荡器对硬件木马的灵敏度展开了研究。在分析了环形振荡器的检测原理及其检测范围后,利用ISCAS89 s9234基准测试电路作为载体电路,在物理布局级分别添加了不同的硬件木马,通过仿真实验研究硬件木马规模及分布情况和环形振荡器分布结构对环形振荡器灵敏度的影响。实验结果表明,硬件木马规模越大、分布范围越广、与环形振荡器的距离越短,环形振荡器振荡频率变化越明显,且分散型较IP型分布结构环形振荡器具有更高的灵敏度。然后,针对检测结构植入方法,在完成电路脆弱性分析后,提出了以下优化策略:采用分散型分布结构环形振荡器并依据电路脆弱性进行布局设计以提高环形振荡器模块对硬件木马的检测精度;采用贪婪算法减少填充单元数量以获取逻辑功能模块的布局最优解,有效减少了检测电路的资源消耗;通过减少集合中的单元数量并调整单元序列来更改电路树状结构,重构逻辑功能模块,有效减少了冗余门的数量并提高了测试覆盖率。同时,设计了完整的硬件木马检测流程,并分别针对移除攻击、缩放攻击、重新设计攻击和输入/输出模块攻击几种常见类型的物理布局级硬件木马进行检测方法的可行性分析。最后,针对硬件木马检测方法进行物理实现和仿真验证。实验选取了ISCAS89s35932基准测试电路和RISC-V开源版本OCRA处理器作为载体电路,并完成电路脆弱节点查找。依据优化策略完成物理设计和检测结构植入后,选取四种不同类型的硬件木马并分别完成植入。通过仿真对比黄金模型和木马芯片的指纹实现硬件木马的检测,其中,为了模拟实际测试环境,在工艺偏差条件下,采用主成分分析和高级离群点分析算法完成木马芯片与黄金模型的分离。结果表明,相比于传统硬件木马检测方法,本文提出的方法具有以下优势:检测结构硬件开销较低,在s35932电路与OCRA处理器中消耗面积分别仅为5.17%和1.56%;对原始设计具有较强的防护作用,通过填充原始设计物理布局,极大提升了硬件木马植入难度;检测精度较高,在工艺偏差条件下,对于面积占比为0.0325%的硬件木马仍然具有良好的检测和定位效果。