RTLMarker: Protecting LLM-Generated RTL Copyright via a Hardware Watermarking Framework

📄 arXiv: 2501.02446v1 📥 PDF

作者: Kun Wang, Kaiyan Chang, Mengdi Wang, Xinqi Zou, Haobo Xu, Yinhe Han, Ying Wang

分类: cs.CR, cs.AI

发布日期: 2025-01-05

💡 一句话要点

RTLMarker：提出硬件水印框架，保护LLM生成的RTL代码版权

🎯 匹配领域: 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)

关键词: 硬件水印 RTL代码 版权保护 大型语言模型 Verilog 网表 代码转换

📋 核心要点

  1. 现有水印技术难以应对RTL代码与软件代码的差异，无法有效保护LLM生成的RTL代码版权。
  2. RTLMarker通过将水印嵌入RTL代码和综合网表，并结合规则的Verilog代码转换，实现版权保护。
  3. RTLMarker在水印透明性和有效性之间进行权衡优化，实验结果表明其优于现有基线方法。

📝 摘要（中文）

随着大型语言模型在Verilog代码生成领域的快速发展，代码版权保护和恶意代码传播等伦理与安全问题日益突出。研究人员已尝试使用水印技术来识别大型语言模型生成的代码。然而，由于RTL代码与Python等软件代码在语法和语义上存在显著差异，现有的水印技术无法有效保护RTL代码的版权。本文提出了一个硬件水印框架RTLMarker，该框架将水印嵌入到RTL代码以及更深层次的综合网表中。我们提出了一组基于规则的Verilog代码转换方法，以确保带水印的RTL代码在语法和语义上的正确性。此外，我们还考虑了水印透明性和水印有效性之间的内在权衡，并对其进行联合优化。实验结果表明，RTLMarker在RTL代码水印方面优于基线方法。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决大型语言模型（LLM）生成的RTL（Register Transfer Level）代码的版权保护问题。现有的软件代码水印技术无法直接应用于RTL代码，因为RTL代码在语法、语义和结构上与软件代码存在显著差异。此外，RTL代码经过综合后会生成网表，水印需要能够抵抗综合过程中的优化和变换。

核心思路：论文的核心思路是在RTL代码中嵌入水印，并在综合后的网表中保留水印信息。通过设计特定的RTL代码转换规则，将水印信息隐藏在代码结构中，同时保证代码的语法和语义正确性。此外，论文还考虑了水印的透明性（不影响代码功能和性能）和有效性（能够被检测和识别）之间的平衡。

技术框架：RTLMarker框架主要包含以下几个阶段：1) 水印生成：根据版权信息生成特定的水印序列。2) RTL代码转换：根据预定义的规则，对RTL代码进行转换，将水印信息嵌入到代码结构中。这些规则包括但不限于：变量重命名、代码重排序、插入冗余逻辑等。3) 综合：将带水印的RTL代码进行综合，生成网表。4) 水印检测：从RTL代码或网表中提取水印信息，并与原始水印序列进行比较，以验证版权。

关键创新：论文的关键创新在于提出了一套适用于RTL代码的水印嵌入和检测方法。与现有的软件代码水印技术相比，RTLMarker能够更好地适应RTL代码的特点，并抵抗综合过程中的优化和变换。此外，论文还提出了水印透明性和有效性的联合优化方法，能够在保证水印有效性的同时，尽量减小对代码功能和性能的影响。

关键设计：RTLMarker的关键设计包括：1) RTL代码转换规则的设计：这些规则需要保证代码的语法和语义正确性，同时能够有效地隐藏水印信息。2) 水印检测算法的设计：该算法需要能够从RTL代码或网表中准确地提取水印信息，并抵抗各种攻击。3) 水印透明性和有效性的权衡：通过调整RTL代码转换规则的强度和水印序列的长度，可以控制水印的透明性和有效性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，RTLMarker能够有效地将水印嵌入到RTL代码中，并在综合后仍然能够被检测到。与基线方法相比，RTLMarker在水印透明性和有效性方面都取得了显著的提升。具体而言，RTLMarker在保证水印检测准确率的同时，对RTL代码的性能影响降低了X%（具体数值未知）。

🎯 应用场景

RTLMarker可应用于保护由LLM生成的硬件设计代码的知识产权，防止未经授权的复制、修改和分发。该技术有助于建立更安全的硬件设计生态系统，促进LLM在硬件设计领域的应用，并为硬件安全提供保障。未来，该技术可扩展到更复杂的硬件设计流程和更广泛的知识产权保护场景。

📄 摘要（原文）

Recent advances of large language models in the field of Verilog generation have raised several ethical and security concerns, such as code copyright protection and dissemination of malicious code. Researchers have employed watermarking techniques to identify codes generated by large language models. However, the existing watermarking works fail to protect RTL code copyright due to the significant syntactic and semantic differences between RTL code and software code in languages such as Python. This paper proposes a hardware watermarking framework RTLMarker that embeds watermarks into RTL code and deeper into the synthesized netlist. We propose a set of rule-based Verilog code transformations , ensuring the watermarked RTL code's syntactic and semantic correctness. In addition, we consider an inherent tradeoff between watermark transparency and watermark effectiveness and jointly optimize them. The results demonstrate RTLMarker's superiority over the baseline in RTL code watermarking.