離開集成電路談信息安全便是追求無源之水無根之木。為了保障應(yīng)用于國計民生各個領(lǐng)域的電子信息系統(tǒng)的安全，我們必須從集成電路的硬件安全著手。

01

個人電腦的普及給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了早期的增長動力， 之后移動通信設(shè)備的發(fā)展讓人們將電子芯片攜帶在身邊。伴隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大潮，一片片以普通硅砂為原材料的芯片，很快就會像粒粒細沙一般遍布世界的每一個角落。

硬件安全芯片便是眾多芯片中至關(guān)重要的一類。它們?nèi)缤阋卤ｇS，默默保護著現(xiàn)代人生活的各個方面。硬件安全芯片在我們的生活中無處不在，從提供互聯(lián)網(wǎng)購物和金融服務(wù)的運算中心到目前正在逐步取代現(xiàn)金的移動支付；從遍布在城市各個角落的移動通信基站到公共交通使用的一卡通；從基于芯片的銀行卡和信用卡到醫(yī)療電子和個人健康器械，不勝枚舉?？梢哉f，硬件安全保障著國計民生的各個領(lǐng)域。

要保證一款芯片的安全，首先要確保整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)强尚藕桶踩?。但是芯片是社會大分工的產(chǎn)物，需要遍布全球的成百上千家企業(yè)的參與和協(xié)作才能完成；所以需要通過技術(shù)手段并輔以行政手段來確保從最初的設(shè)計及驗證，到之后的制造測試和封裝，以及最后的物流和運輸均是安全可控的。從這個角度來說，自主研制并不意味著安全。

現(xiàn)代信息安全系統(tǒng)為使用者提供了保密性、完整性驗證和認證等密碼功能和服務(wù)。提供這些服務(wù)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性便成為了重中之重。對于設(shè)計者和工程師來說，設(shè)計和實現(xiàn)這樣一個硬件安全系統(tǒng)是一項非常大的挑戰(zhàn)。因為硬件安全系統(tǒng)往往需要同時滿足傳統(tǒng)的性能指標(biāo)和額外的安全指標(biāo)，而兩類指標(biāo)所指向的設(shè)計實現(xiàn)方向往往是相互矛盾的。

一般來說，安全計算設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)是分層的。每一層的安全都建立在對下面一層的信任上。系統(tǒng)的最底層通常由一種叫做信任根（root of trust）的模塊組成。信任根是受到系統(tǒng)其他模塊信賴的一組功能。純粹的軟件層面的安全解決方案并不存在，因為這一層面的安全解決方案一般都會被低于其的底層攻擊所繞過。所以信任根的功能模塊往往都是基于底層硬件實現(xiàn)的。由此可見，只追求系統(tǒng)安全而不考慮硬件安全無異于緣木求魚。

設(shè)計硬件安全芯片需要參與到集成電路設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，包括從晶體管的設(shè)計到標(biāo)準(zhǔn)單元庫的選用，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計到密碼算法實現(xiàn)再到最終協(xié)議的設(shè)計。一個系統(tǒng)的安全性取決于它最薄弱的一環(huán)。設(shè)計者需要考慮系統(tǒng)各個方面的安全， 而攻擊者只需要攻擊一點就好了。

所謂“道高一尺，魔高一丈”，集成電路的硬件安全研究是與攻擊方法互相競爭發(fā)展的。早期針對安全系統(tǒng)的攻擊主要集中在對相關(guān)密碼算法的數(shù)學(xué)分析和破解上。近些年來涌現(xiàn)出眾多新型的物理攻擊方法，其中非常流行的兩種物理攻擊類別是旁路信息攻擊和故障注入攻擊。旁路信息攻擊利用安全密碼系統(tǒng)運行時的旁路信息來破解硬件系統(tǒng)安全，例如指令操作運行時間、系統(tǒng)瞬時功耗、電磁輻射和集成電路的光子釋放信息。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也在持續(xù)研究各種抵抗旁路攻擊的方法。故障注入攻擊則是一種通過在電路運行過程中引入特定類型的錯誤，并分析故障傳播而最終攻破密鑰的攻擊方法。相比于一般需要大量曲線采樣的功耗攻擊，故障攻擊僅需少量錯誤密文即可實現(xiàn)。

為了滿足應(yīng)用場景下的安全性、靈活性、高性能和低功耗應(yīng)用需求，清華大學(xué)密碼芯片與硬件安全研究團隊提出了新型動態(tài)可重構(gòu)密碼芯片關(guān)鍵技術(shù)。其中抵御故障攻擊的時域空域隨機重構(gòu)技術(shù)和抵御功耗攻擊的冗余噪聲隨機重構(gòu)技術(shù)服務(wù)于密碼芯片安全性的要求。針對不同應(yīng)用場景，研究團隊研發(fā)了基于熵擴散混淆組件參數(shù)可配的可重構(gòu)運算單元架構(gòu)技術(shù)，激進、分支流水和令牌控制的密碼任務(wù)并行化技術(shù)，以及密碼數(shù)據(jù)流圖引導(dǎo)的可重構(gòu)配置信息管理技術(shù)，進而服務(wù)于密碼芯片的高性能、高能效和靈活性需求；利用這3種技術(shù)，分別從計算、控制和配置3個方面給出了適合密碼芯片應(yīng)用的可重構(gòu)芯片設(shè)計技術(shù)。此外，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗要求，研究團隊還提出了密碼計算強度感知的可重構(gòu)陣列電壓自適應(yīng)技術(shù)。

02

除了物理攻擊之外， 硬件系統(tǒng)的安全還飽受各種漏洞的威脅。

2018年初，媒體披露主流高性能CPU普遍存在“熔斷”和“幽靈”等多個嚴(yán)重影響信息安全的安全漏洞。本次漏洞事件除了影響范圍廣泛之外，和以往一個顯著的區(qū)別是：它們都是硬件漏洞。目前的主要解決方案大部分都著眼于通過軟件補丁減輕危害，即使通過硬件固件更新也僅僅能夠修補部分漏洞。

在此次事件中，大部分的軟件安全方案都束手無策，甚至無法提出有效的方案檢測漏洞是否被利用。原因在于漏洞所依賴的硬件預(yù)測執(zhí)行行為在軟件層面完全不可見。

到目前為止，漏洞事件仍然持續(xù)發(fā)酵，隨著研究的深入，不斷有新的漏洞被發(fā)現(xiàn)；與此同時，如何兼顧性能和安全這一話題也開始在處理器架構(gòu)、芯片設(shè)計領(lǐng)域的學(xué)術(shù)和工業(yè)界引發(fā)廣泛的討論和反思，可謂影響深遠。

CPU芯片的硬件安全是計算系統(tǒng)的安全根基。無法確保CPU的硬件安全，就無法保證運行其上的軟件的安全，與之緊密關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)安全和網(wǎng)絡(luò)安全則更無從談起。

針對該難題，研究團隊提出了基于高安全、高靈活可重構(gòu)架構(gòu)的“CPU硬件安全動態(tài)檢測管控技術(shù)”。這一技術(shù)克服了在CPU芯片商業(yè)部署前進行安全檢測這種傳統(tǒng)做法的先天不足，在CPU芯片部署后上電運行的過程中，用前文提到的新型動態(tài)可重構(gòu)密碼芯片關(guān)鍵技術(shù)對CPU的所有重要行為（包括指令執(zhí)行、內(nèi)部狀態(tài)變化、與外部存儲及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，以及預(yù)測執(zhí)行、緩存控制在內(nèi)的微架構(gòu)行為等）進行快速采樣和實時分析。無論硬件木馬、漏洞、后門，還是惡意利用前門的行為，都能被及時發(fā)現(xiàn)并實施按需管控。

2018年7月，清華大學(xué)密碼芯片與硬件安全研究團隊和瀾起科技采用上述技術(shù)研制了津逮高性能CPU芯片。這是全球首款采用第三方的硅模塊來動態(tài)監(jiān)控處理器內(nèi)核硬件安全狀況的CPU。聯(lián)想、長城電腦、新華三集團等已完成了基于津逮CPU的高性能商用服務(wù)器的研制，并將于近日上市銷售（型號分別為聯(lián)想SR651、長城JW920、新華三R4900）。

該技術(shù)已成功入選第五屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會（2018年11月）15項全球領(lǐng)先科技成果。這是國內(nèi)高校原創(chuàng)技術(shù)成果第二次入選該會議全球領(lǐng)先科技成果（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的光量子計算機曾于2017年入選）。

一勞永逸的硬件安全解決方案并不存在，新的攻擊方法和安全威脅不斷地涌現(xiàn)。立足當(dāng)今，展望不久的未來，可以預(yù)見實用量子計算機的研制成功會摧毀現(xiàn)有公鑰密碼算法的數(shù)學(xué)根基；快速發(fā)展的人工智能技術(shù)被廣泛用于包括旁路分析和故障注入等在內(nèi)的攻擊手段中；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無處不在以及大數(shù)據(jù)時代的到來為保護個人隱私的技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。保障集成電路硬件安全任重而道遠。

致謝：感謝國家自然科學(xué)基金面上項目“動態(tài)局部重構(gòu)密碼芯片抗物理攻擊關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：61672317）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2018年11月刊。

專家簡介

劉雷波 ： 清華大學(xué)教授。

楊博翰 ： 清華大學(xué)博士后。

朱敏 ： 清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院高級工程師。

2019-01-25  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體股份  香港華清電子(集團)有限公司  集成電路  

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