Chiplet 安全風(fēng)險(xiǎn)被低估

Chiplet面臨的安全挑戰(zhàn)之大令人望而生畏。

半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)充斥著小芯片的前景，但對這些小芯片或它們將被集成到的異構(gòu)系統(tǒng)的安全性的關(guān)注要少得多。

將 SoC 分解為小芯片會顯著改變網(wǎng)絡(luò)安全威脅格局。與通常使用相同工藝技術(shù)制造的單片多功能芯片不同，小芯片可以在任何地方和任何工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)。事實(shí)上，開發(fā)異構(gòu)小芯片的關(guān)鍵原因之一并非每個(gè)功能都受益于最新的工藝技術(shù)，也不是所有功能都可以塞進(jìn)一個(gè)芯片上。但這也提高了威脅級別，并且該行業(yè)正在努力以可重復(fù)且具有成本效益的方式處理安全問題。

“其中一些是以可以負(fù)擔(dān)得起的逆向工程或重新制造的方式構(gòu)建的，并在小芯片中添加了一些惡意功能，因?yàn)樗且粋€(gè)小得多的芯片，”Rambus硅安全產(chǎn)品高級總監(jiān)Scott Best說。它不再是一個(gè)擁有20億個(gè)晶體管的20 x 50mm芯片。它是一百萬個(gè)晶體管，它有一個(gè)非常特定的功能。世界各地都有國家資助的參與者可以克隆該功能，將其放入兼容的進(jìn)程節(jié)點(diǎn)中，并向其添加惡意功能?，F(xiàn)在的風(fēng)險(xiǎn)是他們以某種方式將惡意組件插入供應(yīng)鏈，并且無意中被集成。這有點(diǎn)嚇人，尤其是在它的做能力上。我不確定很多人是否完全理解克隆內(nèi)置在后緣技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的小芯片是多么容易。隨著時(shí)間的推移，后緣開始意味著越來越多的事情。即使是曾經(jīng)最先進(jìn)的22nm，現(xiàn)在也落后我們?nèi)拇Ｋ鼈兂蔀榉浅ＵT人的目標(biāo)，特別是如果提出這種芯片可以讓對手進(jìn)入更大的終端市場。

一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是開發(fā)具有強(qiáng)大可追溯性的供應(yīng)鏈?！凹僭O(shè)客戶擔(dān)心安全性是否內(nèi)置于芯片中，” Siemens Digital Industries Software高級封裝解決方案總監(jiān) Tony Mastroianni 說。“許多 die-to-die 接口都內(nèi)置了安全性。但是對于可追溯性還有其他考慮因素，這是一個(gè)不同的問題。我們希望確保在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中您不會受到影響，這需要涵蓋從 RTL 設(shè)計(jì)到制造交付零件的所有方式。”

將多個(gè) Chiplet 集成到一個(gè)異構(gòu)封裝中會導(dǎo)致安全漏洞以及與在設(shè)計(jì)、組裝或測試期間對單個(gè) Chiplet 的惡意修改或攻擊相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn)?！按送猓捎谛⌒酒ǔＳ刹煌墓?yīng)商設(shè)計(jì)和制造，因此存在惡意行為者可能破壞其中一家供應(yīng)商并利用該訪問權(quán)限破壞整個(gè)基于小芯片的系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，”Mastroianni 說。

其中一些擔(dān)憂始于SoC，但小芯片正在將它們提升到一個(gè)全新的水平?！鞍踩珕栴}仍然存在，但對于小芯片，它們可能更難預(yù)防，”Arteris IP產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Guillaume Boillet說?，F(xiàn)在，需要協(xié)調(diào)誰在做小芯片，因?yàn)橐恍Σ咝枰⌒酒蛙浖y手合作。除此之外，對于小芯片，還有更大的攻擊面，由此產(chǎn)生了兩類問題。首先是硬件木馬。在小芯片可能來自不同公司的異構(gòu)系統(tǒng)中，一些公司會對構(gòu)成小芯片的一些芯片進(jìn)行逆向工程并用惡意芯片替換它的想法——這聽起來像科幻小說。但這種威脅是存在的，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)方面，所有這些事情可能比大型系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。

第二個(gè)問題是更廣泛的攻擊面，部分原因是小芯片之間的連接更容易跟蹤。這就產(chǎn)生了中間人攻擊的可能性。

其中一些取決于小芯片供應(yīng)鏈的復(fù)雜性。英特爾、AMD 和 Marvell 等公司開發(fā)了自己的小芯片，可最大限度地減少供應(yīng)鏈威脅。但組裝和集成商業(yè)開發(fā)的小芯片的公司將面臨更艱難的時(shí)期。

Synopsys高性能計(jì)算 IP 解決方案產(chǎn)品線高級總監(jiān) Mick Posner 表示：“如果您是一家公司，那么小芯片身份驗(yàn)證就不是問題。” “你已經(jīng)分解了你的 SoC，你熟悉你的供應(yīng)鏈，所以惡意小芯片進(jìn)入你的供應(yīng)鏈的可能性可能非常低。您已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)包，其中包含您的裸片和一些第三方裸片，它們需要相互通信。今天，沒有圍繞它的標(biāo)準(zhǔn)。UCIe 規(guī)范中提到它是未來要解決的問題。”

Chiplet市場則是另一回事。“目前，因?yàn)闆]有真正混合和匹配裸片，所以這真的不是問題，”Posner 說?！暗芸炀蜁恕榱藴p少惡意芯片進(jìn)入供應(yīng)鏈，必須進(jìn)行某種形式的身份驗(yàn)證，現(xiàn)在您是一個(gè)經(jīng)過身份驗(yàn)證的系統(tǒng)，如果有人試圖進(jìn)行強(qiáng)勢破解，他們將包裹拆開并以某種方式訪問這兩個(gè)模具之間的鏈接怎么辦？什么樣的加密或保護(hù)來通過這些鏈接？”

其他人同意?！斑@種混合供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)尚不存在，即供應(yīng)商提供一些可以在許多系統(tǒng)中重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)功能的生態(tài)系統(tǒng)，集成包的主要供應(yīng)商從幾個(gè)潛在競爭者之一購買這些功能”Synopsys 科學(xué)家 Mike Borza 說，供應(yīng)商將其納入他們的產(chǎn)品包。“你可以想象像系統(tǒng)控制器芯片和 TPN 之類的東西，以及各種各樣的東西，它們都是將以這種方式集成得很好的例子，因?yàn)樗鼈兙哂忻鞔_定義的功能，并且有圍繞它們的協(xié)議?！?/span>

Chiplet的供應(yīng)商越多，確保一切安全的難度就越大。

“你將有更多供應(yīng)商參與其中，”Cadence 的航空航天和國防解決方案總監(jiān)/架構(gòu)師 Steve Carlson說。“你有多個(gè)小芯片，所以你可能有一個(gè)新的內(nèi)插器供應(yīng)商，以及整個(gè)供應(yīng)鏈各處的新封裝和測試人員。甚至在此之前，隨著進(jìn)入小芯片的 IP 塊，也有可能出現(xiàn)錯誤。此外，芯片在安全協(xié)議以及什么是“安全使用”模型方面的互操作性也存在問題。這些事情并不總能傳達(dá)清楚，所以當(dāng)你將兩個(gè)安全小芯片連接在一起時(shí)，可能會以一種破壞芯片的方式完成。”

圖 1：為什么芯片公司希望采用小芯片

對于互連來說尤其如此。

“你已經(jīng)暴露了它們之間的那些互連，以便更容易被利用，”卡爾森說?！俺诉@些高層次的考慮之外，還有與特洛伊木馬有關(guān)的問題。你可能會生產(chǎn)出在材料和中介層互連方面不符合規(guī)格的產(chǎn)品、生產(chǎn)過剩、假冒產(chǎn)品、逆向工程、側(cè)通道和回收各種產(chǎn)品?！?/span>

提高小芯片安全性的方法差異很大，但首先需要關(guān)注系統(tǒng)范圍的安全性。

Riscure高級安全分析師 Rajesh Velegalati 表示：“系統(tǒng)范圍的安全審查現(xiàn)已成為與客戶數(shù)據(jù)有任何交互的任何產(chǎn)品開發(fā)周期中不可或缺的一部分?！?nbsp;“Common Criteria 和 EMVCo 等認(rèn)證實(shí)體在確保這些產(chǎn)品符合安全標(biāo)準(zhǔn)方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?！?/span>

然而，如果這些安全審查是在設(shè)計(jì)周期的后期進(jìn)行的，“即使發(fā)現(xiàn)了漏洞，修復(fù)它們本身也可能成為一個(gè)問題，”Velegalati 說?！叭绻谟布虿豢勺兊?ROM 代碼（產(chǎn)品啟動時(shí)執(zhí)行的第一段代碼）中發(fā)現(xiàn)漏洞，修補(bǔ)緩解措施將很困難，而且可能是完全不可能的。在這種情況下，發(fā)布的產(chǎn)品可能存在漏洞，制造商只能在產(chǎn)品的下一次迭代中對其進(jìn)行修補(bǔ)。下一次迭代將取決于產(chǎn)品生命周期，這可能至少需要一年到幾年?！?/span>

使事情復(fù)雜化的是，每個(gè)客戶對安全和信任都有不同的擔(dān)憂，并且有不同的方法來解決這些擔(dān)憂。

Flex Logix的 CEO Geoff Tate 說：“DoD 的客戶都關(guān)心安全，并且比我們更了解安全，包括加密和解密等等?！薄爱?dāng) FPGA 嵌入芯片內(nèi)時(shí)，客戶可以在 FPGA 周圍設(shè)置很多安全措施。對于商業(yè)客戶，人們首先從安全角度考慮使用嵌入式 FPGA，因?yàn)樗麄兛梢灾匦戮幊?。因此，如果他們有一個(gè)加密算法，并且它被破壞了，他們可以重新編程加密算法，如果它是一個(gè)嵌入式FPGA。如果它是硬連線的，他們就不能?！?/span>

芯片之間安全通信的概念已經(jīng)通過反窺探措施、未經(jīng)授權(quán)的內(nèi)存訪問和其他方法進(jìn)行了研究。

“這些問題已經(jīng)解決，并且正在解決，”Cadence 的 Carlson 說。“過去，安全一直是每個(gè)項(xiàng)目的一次性測試項(xiàng)目?，F(xiàn)在我們正在尋求標(biāo)準(zhǔn)化這些東西，這非常困難，因?yàn)閷τ趪啦俊獰o論它是否是民用系統(tǒng)——當(dāng)某些東西被利用時(shí)，他們喜歡對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并保密。MITRE CWE 是我們可以努力地集結(jié)點(diǎn)。希望這將有助于推動事情更快地朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展?！?/span>

展望未來，Riscure 的 Velegalati 表示，解決此問題的最佳方法是在產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)階段納入安全審查。“換句話說，在硅片前發(fā)現(xiàn)并修復(fù)漏洞，以便在制造芯片后，希望它們不會有任何已識別的漏洞。這可能需要對開發(fā)周期本身的執(zhí)行方式進(jìn)行文化變革?！?/span>

有幾種商業(yè)工具可用于使用靜態(tài)和動態(tài)分析技術(shù)檢測軟件中的漏洞。

西門子的 Mastroianni 說：“安全代理的部署可以幫助確保系統(tǒng)保持完整性、運(yùn)行以及檢測和從受損事件中恢復(fù)?！?nbsp;“此外，確保整個(gè)供應(yīng)鏈中小芯片組件的來源完整性和可追溯性將成為新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品的關(guān)鍵要求。通過確保每個(gè)小芯片的來源和完整性都可以得到驗(yàn)證并追溯到其來源，識別和響應(yīng)可能出現(xiàn)的任何安全或信任問題變得更加容易?！?/span>

另一種實(shí)現(xiàn)  Chiplet安全的方法是采用分層方法。

Intrinsic ID 的首席執(zhí)行官 Pim Tuyls 指出了三層小芯片安全性?！耙粋€(gè)是你說，'我們將確保每個(gè)部分都可以被識別'，并使用物理不可克隆功能 (PUF) 作為標(biāo)識符。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是它的重量輕。其次，我們需要更多一點(diǎn)。也就是說，我們需要能夠相互安全通信并能夠相互驗(yàn)證的小芯片。您可以使用對稱加密來做到這一點(diǎn)。在這里，您在每個(gè)附加了對稱加密的小芯片上實(shí)施 PUF。優(yōu)點(diǎn)是所有這些小芯片都可以創(chuàng)建自己的密鑰，并且可以運(yùn)行密鑰交換協(xié)議。您不必對每個(gè)小芯片進(jìn)行編程。第三，'我們想要最高級別和最復(fù)雜的安全性。' 這在公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 (PKI) 系統(tǒng)中可能很難做到。PKI 可以是我們所知的帶有 RSA 或 ECC 的經(jīng)典 PKI，也可以是受影響后的 PKI。從那時(shí)起，這意味著您將使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。小芯片將具有 PUF，具有非對稱和對稱功能，并且能夠在不同小芯片之間進(jìn)行安全密鑰共享，以及創(chuàng)建不同的對稱密鑰集?；诖?，我們將能夠安全地進(jìn)行通信。那是最先進(jìn)的系統(tǒng)，也是最昂貴的系統(tǒng)?！?nbsp;以及創(chuàng)建不同的對稱密鑰集?；诖耍覀儗⒛軌虬踩剡M(jìn)行通信。那是最先進(jìn)的系統(tǒng)，也是最昂貴的系統(tǒng)。 以及創(chuàng)建不同的對稱密鑰集?；诖?，我們將能夠安全地進(jìn)行通信。那是最先進(jìn)的系統(tǒng)，也是最昂貴的系統(tǒng)。

一個(gè)懸而未決的問題是小芯片安全解決方案是否會在需要時(shí)到位。

“我們有 100% 的信心，解決方案將在他們需要的時(shí)間范圍內(nèi)提供，”Rambus 的 Best 說?！凹词刮抑豢次覀兊姆纻谓?jīng)驗(yàn)，我們?nèi)匀挥锌蛻粝蛭覀冊儐柗纻谓鉀Q方案。因此，防止這種情況的技術(shù)是已知的。缺點(diǎn)是它們都不是免費(fèi)的。對于大多數(shù)商業(yè)供應(yīng)商來說，5 美元芯片的制造成本要高出 10 美分。其他人會進(jìn)行談判，直到成本降低 5 美分，或者可能低于 1 美分。您可以通過非常安全的供應(yīng)鏈構(gòu)建非常安全的產(chǎn)品。我們絕對知道該怎么做。我們擁有這項(xiàng)技術(shù)，我們知道如何部署它，我們知道如何以經(jīng)濟(jì)高效的方式部署它。困難的只是關(guān)于我們是否真正首先解決所有安全問題的正常決定，或者“完美”是這里“好”的敵人嗎？我們能不能只追求好的，看看這是否足夠和經(jīng)過測試？'”

其他人指出了類似的經(jīng)歷?！鞍踩皇敲赓M(fèi)的”卡爾森說?！斑@就像保險(xiǎn)。系統(tǒng)公司首當(dāng)其沖。在手機(jī)和汽車，以及已經(jīng)公開的黑客領(lǐng)域，他們必須做點(diǎn)什么。他們因安全相關(guān)問題而在經(jīng)濟(jì)上受到傷害。在他們尚未受到傷害的產(chǎn)品領(lǐng)域，他們確實(shí)沒有盡其所能。他們不是什么都不做，但他們做得比他們能做得少。另一個(gè)問題是，你可能在安全上花費(fèi) 1 億美元，但仍然會被黑客入侵。沒有針對該問題的單一、可靠的解決方案。黑客們真的很有創(chuàng)造力，每天都會想出新的瘋狂的方法?！?/span>

此外，小芯片可以進(jìn)行逆向工程。您如何檢測小芯片是否已被篡改？Arteris 的 Boillet 說解決方案確實(shí)存在，至少來自一些供應(yīng)商?！拔覀兣c他們和我們的共同客戶合作，幫助他們實(shí)施這些系統(tǒng)，尤其是在 SoC 中，以確保正確識別小芯片，”他說。“在不同的攻擊角度上，他們都有一個(gè)應(yīng)對的想法，但他們也面臨著自己的挑戰(zhàn)。例如，大多數(shù)人會要求這兩個(gè)小芯片實(shí)際上是攜手設(shè)計(jì)的。因此，當(dāng)你考慮那些中間人攻擊時(shí)，可以探測到兩個(gè)小芯片之間的連接，有一種方法可以通過只發(fā)送加密消息來解決這個(gè)問題。但是每次說到加密，都需要一面加密，一面解密，并且需要是同一個(gè)IP。這非常復(fù)雜，但如果是內(nèi)部芯片分解（兩個(gè)小芯片來自同一供應(yīng)商），則可以解決這個(gè)問題。然而，如果我們開始談?wù)撘粋€(gè)包含現(xiàn)成部件的生態(tài)系統(tǒng)，那么我們將需要標(biāo)準(zhǔn)化，而不僅僅是我們在電氣兼容性方面擁有的一切。在進(jìn)行芯片分解時(shí)，除了我們與客戶進(jìn)行的所有討論之外，顯而易見的是它的機(jī)械方面。機(jī)械和物理方面還沒有真正解決?！?nbsp;我們將需要標(biāo)準(zhǔn)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們在電氣兼容性方面擁有的一切。在進(jìn)行芯片分解時(shí)，除了我們與客戶進(jìn)行的所有討論之外，顯而易見的是它的機(jī)械方面。機(jī)械和物理方面還沒有真正解決。 我們將需要標(biāo)準(zhǔn)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們在電氣兼容性方面擁有的一切。在進(jìn)行芯片分解時(shí)，除了我們與客戶進(jìn)行的所有討論之外，顯而易見的是它的機(jī)械方面。機(jī)械和物理方面還沒有真正解決。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，OCP 中有一個(gè)涵蓋安全性的 CDX 工作組，而在 UCIe 中，也有一個(gè)專門負(fù)責(zé) Chiplet安全性的工作組，但這兩種情況都還處于早期階段。Synopsys 的 Borza 指出，UCIe 大體上正在圍繞 PCIe 和 CXL 合并?！斑@是方程式的重要組成部分，意味著他們將能夠享受在 CXL 和 IDE 中完成的工作。”

此外，在小芯片安全標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，安全協(xié)議數(shù)據(jù)模型 (SPDM) 等方法可以跨小芯片對小芯片進(jìn)行相互認(rèn)證。

“一旦 SPDM 運(yùn)行，有些協(xié)議可以利用你現(xiàn)在已經(jīng)獲得經(jīng)過身份驗(yàn)證的連接這一事實(shí)來設(shè)置加密鏈接來解決其他方面的問題，因?yàn)橛尚⌒酒瞥傻募刹考挥诎遢d芯片和芯片之間。單芯片解決方案中的完全集成 SoC，”Borza 解釋道。“它們比 SoC 更容易受到物理探測攻擊，但它們不如板上芯片那么脆弱。但是這個(gè)漏洞仍然存在，因?yàn)樘綔y小芯片到小芯片的鏈接比探測芯片本身上的某些東西要容易得多。這無論如何都不簡單，但它更容易。我看到這種動搖的方式是，我們實(shí)際上將能夠從正在完成的其他一些工作中受益，而且我們不會免費(fèi)獲得它。擁有以低延遲運(yùn)行且完全加密的高帶寬鏈接非常昂貴，但這是可能的。我們現(xiàn)在正在用 CXL 做這件事，我們將能夠用小芯片沿著這條路前進(jìn)。”

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