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系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)之安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)

倩倩 ? 來(lái)源:Semi Connect ? 作者:Semi Connect ? 2022-08-15 15:03 ? 次閱讀

安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)(Security Enhancement Design)是指采用特定的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)來(lái)加強(qiáng)芯片的安全防護(hù)能力。安全防護(hù)涉及整個(gè)軟硬件體系。與軟件層面的安全技術(shù)不同,芯片的安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)特指應(yīng)用于密碼芯片和片上安全系統(tǒng)的針對(duì)旁道攻擊(又稱側(cè)信道或旁路攻擊)的防御性設(shè)計(jì)。旁道攻擊是指對(duì)密碼算法的軟硬件實(shí)現(xiàn),以及其物理載體進(jìn)行敏感信息獲取的一系列攻擊方法。

根據(jù)旁道信息源的不同,旁道攻擊可以分為時(shí)間,功耗,電磁,聲音,故障等攻擊方法。這些攻擊方法對(duì)芯片的安全功能構(gòu)成了極大威脅。芯片是信息安全的基礎(chǔ)設(shè)施,只有首先保障芯片自身的安全性才能真正為信息社會(huì)提供安全服務(wù),實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證,維護(hù)數(shù)據(jù)安全,構(gòu)建可信,可靠的網(wǎng)絡(luò)空間。

安全性增強(qiáng)設(shè)計(jì)依據(jù)三項(xiàng)基本原理對(duì)抗旁道攻擊。1)隨機(jī)化:通過(guò)一定措施將密碼芯片的時(shí)間,功耗,電磁,聲音等信息隨機(jī)化,使得攻擊者的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)性分析過(guò)程發(fā)生巨大困難。2)盲化:通過(guò)數(shù)學(xué)和算法上的設(shè)計(jì),使得攻擊者缺少關(guān)鍵的額外信息,不能預(yù)知密碼計(jì)算過(guò)程的敏感內(nèi)容,從而無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的旁道信息分析。3)掩蔽:密碼芯片通過(guò)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為掩碼,對(duì)密碼運(yùn)算的中間結(jié)果進(jìn)行掩蔽,而運(yùn)算的最終結(jié)果卻可以正確恢復(fù)出來(lái)。掩碼導(dǎo)致了中間結(jié)果具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,旁道信息的統(tǒng)計(jì)與分析難度因此急劇上升。

目前,算法級(jí),架構(gòu)級(jí),電路級(jí)等多個(gè)層面的安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)均得到了研究與發(fā)展。對(duì)于對(duì)稱與非對(duì)稱密碼可以開發(fā)相應(yīng)的抗攻擊算法,從而在算法結(jié)構(gòu)上對(duì)可能泄露的旁道信息進(jìn)行消除與隱藏。抗攻擊算法勢(shì)必引入一定的冗余運(yùn)算,這將導(dǎo)致密碼芯片在性能與功耗上的額外負(fù)擔(dān)。可以針對(duì)中央處理器與密碼運(yùn)算加速器的微架構(gòu)進(jìn)行安全增強(qiáng)設(shè)計(jì),如通過(guò)修補(bǔ)微架構(gòu)漏洞,添加安全指令與特殊硬件單元,能夠?qū)Χ喾N旁道攻擊起到良好的抑制作用,另外,可以采用高安全性的新型邏輯電路,從根本上解決CMOS互補(bǔ)邏輯電路存在面積大,功耗高的問(wèn)題,如何平衡攻擊能力與實(shí)現(xiàn)代價(jià)也是重要的研究課題。如圖5-100所示,實(shí)現(xiàn)芯片的安全增強(qiáng)需要系統(tǒng)性,跨層次的設(shè)計(jì)技術(shù),從而在各個(gè)設(shè)計(jì)層次建立安全屏障,防止攻擊者利用各個(gè)層次的漏洞和旁道信息威脅芯片核心部分的安全。

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安全性增強(qiáng)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)與旁道攻擊技術(shù)的迅猛發(fā)展密切相關(guān)。20世紀(jì)90年代末,Paul Kocher 教授提出的差分功耗攻擊方法在旁道攻擊發(fā)展史上具有里程碑的意義。自此之后,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界充分認(rèn)識(shí)到密碼芯片必須具備防御旁道攻擊的措施和技術(shù),從而催生了安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)這一技術(shù)方向。英飛凌,恩智浦等公司在安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)方面積累了雄厚的技術(shù)實(shí)力,已使其芯片產(chǎn)品具備抗攻擊特性。近年來(lái),中國(guó)在密碼芯片的安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)方面取得了很大進(jìn)步,國(guó)內(nèi)相關(guān)集成電路設(shè)計(jì)公司研制了具有一定防御攻擊能力的智能卡芯片,在安全防護(hù)方面形成了相應(yīng)的技術(shù)能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)空間安全問(wèn)題日益凸顯,芯片的安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)的重要性也日漸突出。未來(lái)不僅集成電路設(shè)計(jì)單位,而且各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司及互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)都將為提高芯片安全性這一重大課題貢獻(xiàn)力量。

安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)將繼續(xù)向前發(fā)展,同時(shí)工業(yè)界將研制與完善面向芯片防護(hù)的全流程自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備與集成開發(fā)環(huán)境。全流程的安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)將把各層次單點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)集成為一個(gè)有機(jī)整體,實(shí)現(xiàn)效能最大化;同時(shí)注意硬件載體與軟件環(huán)境的協(xié)同開發(fā),提升自動(dòng)化和智能化水平,保證良好的用戶體驗(yàn)。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)—安全增強(qiáng)設(shè)計(jì)

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