芯片DNA如何物理不可克隆的功能技術(shù)保護(hù)嵌入式系統(tǒng)

基于硬件的安全性提供了針對網(wǎng)絡(luò)攻擊的強(qiáng)大保護(hù)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)加密功能的芯片使用時(shí)，物理不可克隆功能（PUF）技術(shù)可以進(jìn)一步增強(qiáng)該級(jí)別的保護(hù)。本應(yīng)用筆記討論了一種新的PUF半導(dǎo)體解決方案，稱為ChipDNA技術(shù)，該解決方案利用了MOSFET晶體管的隨機(jī)模擬特性，MOSFET晶體管是CMOS IC的基本構(gòu)建模塊。在芯片層面，基于ChipDNA的PUF解決方案由一系列模擬電路元件構(gòu)成，具有I-V特性固有的隨機(jī)性，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)芯片加密要求所需的位數(shù)進(jìn)行調(diào)整。需要時(shí)，ChipDNA PUF 用于導(dǎo)出每個(gè)芯片的隨機(jī)、唯一且可重復(fù)的二進(jìn)制值，該值只能通過芯片加密塊訪問。一旦不再需要它，PUF 派生的密鑰值就會(huì)立即擦除，并且不會(huì)以數(shù)字形式存在。這種 ChipDNA PUF 解決方案已證明具有高可靠性和適當(dāng)?shù)募用苜|(zhì)量——這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都使 PUF 輸出能夠用作加密密鑰值。本應(yīng)用筆記的類似版本最初發(fā)表在《嵌入式世界2018年會(huì)議論文集》中。

介紹

密碼學(xué)提供了靈活有效的工具來應(yīng)對嵌入式電子系統(tǒng)面臨的無數(shù)潛在安全威脅。有多種硬件和軟件方法可用于實(shí)現(xiàn)加密解決方案。通常理解，基于硬件的解決方案（即專用安全I(xiàn)C）是信任根的最有效表述，也是提供防止多種常見攻擊的對策和保護(hù)的方法。

與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的寶貴資產(chǎn)面臨著無情的威脅。例如，此類系統(tǒng)會(huì)遇到入侵，例如盜竊知識(shí)產(chǎn)權(quán)、引入惡意軟件來破壞或破壞設(shè)備、未經(jīng)授權(quán)訪問敏感通信以及篡改從物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)?？捎玫陌踩獻(xiàn)C和加密解決方案可以解決這些威脅。但是，安全I(xiàn)C本身可能成為試圖規(guī)避或破壞安全性的對手的攻擊目標(biāo)。

對安全 IC 的攻擊

假設(shè)基于安全 IC 的保護(hù)解決方案，則攻擊場景分為兩類：非侵入性[1]和侵入性。

非侵入性攻擊包括操作測量，有時(shí)與其他外部應(yīng)用的刺激相結(jié)合，以獲取加密密鑰或其他敏感數(shù)據(jù)。此類工作的例子包括差分或簡單的功率/電磁分析（DPA/SPA/DEMA/SEMA）或通過電壓毛刺、極端熱條件或激光和定時(shí)攻擊誘發(fā)故障狀態(tài)。雖然非侵入性攻擊威脅在技術(shù)上很難解決，但已經(jīng)建立了電路和算法對策，這些電路和算法對策已被證明可以有效地保護(hù)安全I(xiàn)C和敏感的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)免受損害。

對安全I(xiàn)C的侵入性攻擊包括直接芯片級(jí)電路探測、修改、反處理和逆向工程，其目的同樣是通過獲取密鑰、禁用功能或?qū)⒃O(shè)計(jì)完全逆向工程到網(wǎng)表進(jìn)行復(fù)制來破壞解決方案。技能集和所需工具比非侵入性場景更復(fù)雜，但它們確實(shí)存在，并且通常用于攻擊保護(hù)高價(jià)值資產(chǎn)的安全 IC。例如，圖1和圖2是工具的輸出示例，這些工具可用于侵入性攻擊，首先對IC的一部分進(jìn)行成像，然后從成像中提取網(wǎng)表和原理圖。攻擊者將對整個(gè)IC重復(fù)此過程，最終目標(biāo)是獲得一些見解以發(fā)起子電路攻擊或生成數(shù)據(jù)庫以復(fù)制IC

圖1.用于原理圖/網(wǎng)表提取的成像安全I(xiàn)C區(qū)域。

圖2.用于對區(qū)域進(jìn)行成像的工具的邏輯示意圖輸出。

與非侵入性情況一樣，也有電路解決方案可用于對抗侵入性攻擊。一個(gè)例子包括頂級(jí)芯片屏蔽，這些屏蔽被主動(dòng)監(jiān)控以發(fā)生篡改事件，并結(jié)合采取防御性反擊的檢測電路。然而，采用侵入性技術(shù)的攻擊者的技能和裝備迅速發(fā)展，歷來是一個(gè)決定性擊敗的挑戰(zhàn)。

PUF 技術(shù)如何應(yīng)對侵入性攻擊

物理不可克隆功能（PUF）技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，可提供針對入侵威脅的強(qiáng)大保護(hù)[2].PUF源自IC復(fù)雜多變的物理/電學(xué)特性。由于PUF依賴于隨機(jī)物理因素（不可預(yù)測和不可控制），這些因素是原生存在的和/或在制造過程中偶然引入的，因此幾乎不可能復(fù)制或克隆。PUF 技術(shù)原生為其關(guān)聯(lián)的安全 IC 生成數(shù)字指紋，該指紋可用作唯一的密鑰/機(jī)密，以支持加密算法和服務(wù)，包括加密/解密、身份驗(yàn)證和數(shù)字簽名。

Maxim Integrated的PUF實(shí)現(xiàn)，稱為ChipDNA技術(shù)，基于基本半導(dǎo)體MOSFET器件模擬特性的自然隨機(jī)變化和失配。這種隨機(jī)性源于氧化物變化、閾值電壓的器件間不匹配和互連阻抗等因素。同樣，晶圓制造過程通過不完善或不均勻的沉積和蝕刻步驟引入隨機(jī)性。矛盾的是，半導(dǎo)體器件參數(shù)變化通常是IC設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)，也是Maxim的PUF設(shè)計(jì)的基本基礎(chǔ)。

圖3是Maxim的ChipDNA PUF架構(gòu)的簡化框圖，示例密鑰大小為128位。PUF 核心塊中顯示的是一個(gè)由 16 個(gè) PUF 元件組成的 16x256 陣列，每個(gè)元件都是模擬結(jié)構(gòu)。通過工廠調(diào)理，這256個(gè)元素組合成128對。在比較結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)時(shí)，由于前面描述的參數(shù)而存在隨機(jī)I / V特性，并且通過對中每個(gè)元件的精密電路級(jí)比較來生成二進(jìn)制1/0值。例如，元素 {2，1} 和 {14，16} 可以構(gòu)成一對，并且比較每個(gè)元素的 I/V 特性以得出一個(gè)位值。對 128 對中的每一對重復(fù)此操作，以生成示例密鑰大小的 128 位 PUF 密鑰輸出。對于較大的密鑰大小要求，只需縮放ChipDNA PUF元件的數(shù)量即可。

圖3.Maxim Integrated的ChipDNA PUF架構(gòu)框圖。

對于侵入性攻擊，對 ChipDNA PUF 元件的任何探測或嘗試模擬測量都會(huì)導(dǎo)致敏感的模擬電氣特性因電容/電感/電阻負(fù)載等因素而發(fā)生變化。這就是為什么不可能通過侵入性測量提取任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)的原因。此外，由于不完善的制造技術(shù)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，沒有已知的方法可以從檢查方法中識(shí)別任何關(guān)鍵信息。同樣，即使了解ChipDNA PUF元件配對也不會(huì)揭示任何有關(guān)最終可以從PUF元件結(jié)構(gòu)的模擬特性得出的關(guān)鍵值的信息。最后，PUF 密鑰值僅在執(zhí)行加密操作時(shí)以數(shù)字方式存在;此后，它會(huì)被立即擦除。這些ChipDNA PUF屬性共同產(chǎn)生了一種對侵入性攻擊高度免疫的解決方案。

PUF 可靠性和加密質(zhì)量

從加密的角度來看，可靠性和隨機(jī)性是 PUF 解決方案必須表現(xiàn)出的關(guān)鍵特征。要用作加密密鑰或其根，PUF 輸出必須具有 100% 的可靠性，這意味著 PUF 派生的密鑰位值必須在一段時(shí)間內(nèi)和所有操作條件下可重復(fù)。對于半導(dǎo)體器件，該評(píng)估使用JEDEC定義，經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證的可靠性研究方法進(jìn)行。這包括選擇具有統(tǒng)計(jì)意義的設(shè)備樣本集并將其置于環(huán)境和操作壓力條件下，從而能夠評(píng)估使用壽命的可靠性性能。這些應(yīng)力包括高溫工作壽命 （HTOL）、溫度循環(huán)、封裝和焊料回流影響、電壓和溫度漂移以及高度加速的溫度/濕度應(yīng)力測試 （HAST）。使用這些經(jīng)過驗(yàn)證的方法進(jìn)行可靠性鑒定研究，可以對設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中使用期間的性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估。例如，假設(shè)系統(tǒng)最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命為10年，工作在-40°C至+85°C的環(huán)境中，電源可能會(huì)波動(dòng)±10%。

與PUF解決方案同樣重要的是對高性能加密質(zhì)量的要求，其關(guān)鍵屬性是隨機(jī)性。低質(zhì)量隨機(jī)性可以通過可預(yù)測性弱點(diǎn)創(chuàng)建加密攻擊漏洞。統(tǒng)計(jì)測試套件（包括 NIST SP 800-22）提供了一種經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證的方法來測量 PUF 輸出的隨機(jī)性。針對測試套件的評(píng)估提供了多個(gè)指標(biāo)，這些指標(biāo)確定 PUF 輸出是否與隨機(jī)序列一致。為了具有統(tǒng)計(jì)意義，這些工具需要大型數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析（例如，20 kbit序列）。因此，大量 PUF 實(shí)例的輸出是必需的，并用于評(píng)估。

芯片DNA的可靠性研究

對Maxim的ChipDNA PUF進(jìn)行終身可靠性分析的結(jié)果證明了其功能。從根本上說，可靠性研究產(chǎn)生了了解PUF元素的數(shù)據(jù)，例如老化，溫度/電壓漂移，IC封裝和PCB組裝的轉(zhuǎn)變。相對于兩個(gè)PUF成對元件的時(shí)間零特性，可靠性研究后的成對元件消耗了大約7%的總裕量，以保持輸出二進(jìn)制值的穩(wěn)定性。分析的最終輸出是 ChipDNA PUF 密鑰錯(cuò)誤率 （KER） = 5ppb，其中 KER 定義為 PUF 產(chǎn)生的總密鑰大小中的 1 位（例如，256 位）可以翻轉(zhuǎn)產(chǎn)品的生命周期的概率。

ChipDNA PUF 的隨機(jī)性評(píng)估依賴于 NIST 標(biāo)準(zhǔn) SP 800-22 單比特、撲克、運(yùn)行測試和長期運(yùn)行測試的性能。這些測試套件評(píng)估輸出數(shù)據(jù)是否與隨機(jī)序列一致。四個(gè)測試中每個(gè)測試的評(píng)估結(jié)果都驗(yàn)證了在隨機(jī)性方面的出色表現(xiàn)。

為了評(píng)估Maxim ChipDNA PUF解決方案對侵入性攻擊和逆向工程的免疫力，由一家領(lǐng)先的美國公司[3]評(píng)估，該公司專門從事芯片級(jí)安全評(píng)估和IC逆向工程專業(yè)知識(shí)。在給定的評(píng)估時(shí)間范圍內(nèi)，ChipDNA解決方案沒有受到損害，并且有一個(gè)定性的結(jié)論，即該解決方案“非常有效且能夠抵抗物理逆向工程攻擊”。

芯片DNA技術(shù)用例

ChipDNA PUF技術(shù)可以通過多種方式用于安全I(xiàn)C內(nèi)的加密操作，例如：

在圖 4 中，為了保護(hù)安全 IC 上存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)，ChipDNA PUF 派生密鑰用于根據(jù)需要使用 AES 等算法加密/解密數(shù)據(jù)。如果侵入性攻擊獲得了對任何非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，則該數(shù)據(jù)將毫無用處，因?yàn)樗鸭用?，攻擊者無法獲取基于 PUF 的解密密鑰。在本例中，數(shù)據(jù)的加密/解密僅根據(jù)需要在片上完成。PUF 密鑰加密數(shù)據(jù)不會(huì)從 IC 傳輸。

圖 5 顯示了使用 ChipDNA PUF 作為 ECDSA 簽名操作的唯一私鑰。在這種情況下，設(shè)備將從 PUF 私鑰計(jì)算自己的相應(yīng)公鑰，并且在最終使用部署之前，證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)將在 NVM 中安裝證書。

圖5.使用 PUF 作為私鑰的 ECDSA 簽名。

在圖6中，ChipDNA PUF私鑰是安全I(xiàn)C的根私鑰，與終端系統(tǒng)結(jié)合使用，與安全I(xiàn)C建立“信任根”，用于后續(xù)服務(wù)。

圖6.PUF 作為信任錨私鑰。

Maxim基于ChipDNA的商用安全I(xiàn)C

Maxim目前提供兩款基于ChipDNA PUF的安全I(xiàn)C：DS28E38采用非對稱ECDSA認(rèn)證，DS28E50采用對稱SHA3認(rèn)證。

DS28E38是一款ECDSA認(rèn)證器，利用公司的ChipDNA PUF輸出作為關(guān)鍵內(nèi)容，對所有器件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)?；蛘撸谟脩艨刂葡?，ChipDNA技術(shù)被用作ECDSA簽名操作的私鑰。該器件提供一組核心加密工具，這些工具源自集成模塊，包括非對稱 （ECC-P256） 硬件引擎、符合 FIPS/NIST 標(biāo)準(zhǔn)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 （TRNG）、2Kb 安全 EEPROM、僅遞減計(jì)數(shù)器和唯一的 64 位 ROM 標(biāo)識(shí)號(hào) （ROM ID）。ECC 公鑰/私鑰功能從 NIST 定義的 P-256 曲線運(yùn)行，以提供符合 FIPS 186 的 ECDSA 簽名生成功能。DS28E38的框圖如圖7所示。

圖7.Maxim基于ChipDNA PUF的ECDSA認(rèn)證器框圖。

DS28E50是一款SHA3認(rèn)證器，與DS28E38一樣，利用ChipDNA PUF輸出作為加密/解密密鑰來保護(hù)所有器件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該器件提供符合 FIPS-202 標(biāo)準(zhǔn)的雙向 SHA3-256 身份驗(yàn)證、符合 FIPS/NIST 標(biāo)準(zhǔn)的 TRNG、2Kb 安全 EEPROM、僅遞減計(jì)數(shù)器、安全 GPIO 和獨(dú)特的 64 位 ROMID。DS28E50的框圖如圖8所示。

圖8.Maxim基于ChipDNA PUF的SHA3認(rèn)證器框圖

總結(jié)

密碼學(xué)保護(hù)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的電子資產(chǎn)。通過在嵌入式設(shè)計(jì)中使用具有加密功能的安全I(xiàn)C，設(shè)計(jì)人員無需成為密碼學(xué)專家即可獲得強(qiáng)大的設(shè)計(jì)保護(hù)。然而，安全I(xiàn)C本身可能成為日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)犯罪分子的攻擊目標(biāo)?；谄涔逃械钠焚|(zhì)，ChipDNA PUF技術(shù)對逆向工程方法具有高度免疫力，為侵入性攻擊提供了決定性的對策。

審核編輯：郭婷