随着芯片的生产模式越来越依赖外包制造,其生产过程中的各个阶段都可能被植入硬件木马。硬件木马是芯片攻击中最有效的手段,引起了人们的广泛关注。硬件木马会导致芯片的物理场信息发生变化,因此本文针对芯片安全领域,分别研究了基于温度场效应的硬件木马实时监控技术和基于温度场特征的硬件木马精准修复技术,除此之外,还针对现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的电压降特性所带来的安全漏洞进行了分析。主要内容如下:（1）实现了基于温度场效应的硬件木马实时监控技术针对芯片安全,本文提出了一种硬件木马的实时监控方法。首先,本文介绍了硬件木马激活对温度场效应的影响。接着,本文针对温度传感器的结构和原理进行分析,在此基础上,提出了一种基于环形振荡器（Ring Oscillator,RO）的传感器网络布局方法。然后,引入卡尔曼滤波算法和残差自相关以对温度特征进行实时预测跟踪,并对芯片中是否存在硬件木马进行判定,从而明确芯片的安全状态。结果显示,本文提出的方法对实验中各木马电路的检测正确率均在98%以上,并且漏警率低至0%。此外,本文还讨论了传感器数量、芯片工艺及阈值步长等参数对监控结果的影响。（2）实现了基于温度场特征的硬件木马精准修复技术针对芯片运行阶段中监测到硬件木马的情况,本文提出了一种硬件木马的精准修复方法。首先,本文介绍了硬件木马的定位和修复原理。接着,本文结合可重配置技术的标准设计流程,针对温度传感器的布局方式进行了详细阐述。然后,本文提出了一种基于偏差平方和的木马定位方法以确定木马的工作区域。最后,引入部分重配置方法来对木马的工作区域进行动态刷新,从而修复了木马的状态。结果显示,本文提出的方法对实验中各木马电路的定位正确率达到了96%及以上,并且定位正确的木马均可被重置成功。此外,本文还讨论了传感器数量及木马位置等参数对定位效果的影响。（3）研究了基于电压降特性的FPGA安全漏洞问题针对FPGA芯片,本文研究了其存在的电压故障问题。首先,本文针对FPGA的电压降特性进行了详细分析。在此基础上,利用大量环形振荡器同时工作会带来过大电压降的原理,设计了一种威胁电路以对FPGA造成安全威胁。最后,使用威胁电路在FPGA上进行了验证。结果显示,本文设计的威胁电路可对FPGA造成电压故障,并使其置于拒绝服务状态。此外,本文还针对RO的不同数量、工作频率及阶数等参数进行了详细讨论。