芯片解密與芯片防破解之間的攻防歷史

芯片廣泛應(yīng)用帶來的市場(chǎng)前景使得芯片解密迅速發(fā)展，芯片防解密技術(shù)也因此不斷革新技術(shù)，與芯片解密展開了激烈的的攻防斗爭(zhēng)。

硅芯片安全措施的演變

工業(yè)控制器的硬件安全措施與嵌入式系統(tǒng)同時(shí)開始發(fā)展。三十年前的系統(tǒng)是由分離的部件如CPU, ROM, RAM，工//0緩沖器，串口和其他通信與控制接口組成的。

通用的嵌入式控制器。PCB上的每個(gè)部件很容易辨別且極易被復(fù)制。

在早期，除法律和經(jīng)濟(jì)外，幾乎沒有保護(hù)措施來防止復(fù)制這些設(shè)備。例如:ROM是用低成本的掩模技術(shù)制造的，可用EPROM輕易復(fù)制，但后者通常要貴3-10倍或更多?；蚨ㄖ蒲谀OM，那就需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很大的投資。另一種是在游戲機(jī)中廣泛使用的簡(jiǎn)易ASIC。

游戲機(jī)中的專用集成電路（ ASIC）

這些ASIC主要用于工//0部分來取代數(shù)十個(gè)邏輯器件，在降低成本的同時(shí)防止競(jìng)爭(zhēng)者的復(fù)制，使之不得不應(yīng)用更大且更貴的解決方案。實(shí)際上ASIC不會(huì)更安全，用示波器來簡(jiǎn)單分析信號(hào)或窮舉所有可能的引腳組合就可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)得知它的具體功能。

從七十年代后期開始，微控制器提供一種非常好的取代基于CPU的控制板的方法。它們不僅有內(nèi)部存儲(chǔ)器和通用工//0接口，還有一些保護(hù)措施以防止未經(jīng)授權(quán)訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

不幸的是，早期的MCU沒有提供非易失存儲(chǔ)能力，重要的數(shù)據(jù)不得不存在MCU外部的分離芯片上，因此很容易被讀出數(shù)據(jù)。最近銷售的一些廉價(jià)USB狗也用此法來進(jìn)行軟件保護(hù)。

Aladdin HASP4 USB狗

安全領(lǐng)域的下一步進(jìn)展就是把EEPROM芯片放在與MCU同一封裝的內(nèi)部。

據(jù)存儲(chǔ)器和微芯Microchip的PIC12CE518微控制器打開封裝后的照片，可見非易失數(shù)MCU是分開封在同一封裝內(nèi)部的。

近來的堆疊芯片，如手機(jī)中用的Flash+SRAM的combo存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)與之類似，不同的是在垂直方向疊加。破解方法亦類似。

意法ST某型32位MCU打開封裝后的SEM圖片

破解這些芯片是不容易的。一種專業(yè)的方法是打開樣品的封裝，用微探針來獲得數(shù)據(jù)。或?qū)⑿酒匦潞冈谝粋€(gè)分開的封裝內(nèi)。這兩種設(shè)備都不是低級(jí)破解者所能擁有的。這些破解者會(huì)嘗試用自制的微探針(舊芯片的焊線區(qū)域是相當(dāng)大的)或利用軟件上的缺陷來讀出數(shù)據(jù)。

一些MCU始終沒有任何特殊的硬件安全保護(hù)。創(chuàng)門僅僅是基于不公開編程算法來保護(hù)。這可能有偽裝回讀功能，或用校驗(yàn)功能來代替。一般這些MCU不會(huì)提供非常好的保護(hù)能力。實(shí)際上，在一些智能卡中，適當(dāng)使用校驗(yàn)功能能夠起到很強(qiáng)的保護(hù)作用。

下一步增強(qiáng)安全保護(hù)的措施就是增加一個(gè)硬件安全熔絲(安全熔絲就是寄存器)來禁止訪問數(shù)據(jù)。這很容易做到，不需要完全重新設(shè)計(jì)MCU架構(gòu)，僅利用熔絲來控制編程接口的回讀功能。

缺點(diǎn)是熔絲位很容易被定位并進(jìn)行入侵攻擊。例如:熔絲的狀態(tài)可以通過直接把熔絲位的輸出連到電源或地線上來進(jìn)行修改。有些例子中僅僅用激光或聚焦離子束來切斷熔絲的感應(yīng)電路就可以了。用非侵入式攻擊也一樣可以成功。因?yàn)橐粋€(gè)分離的熔絲版圖異于正常的存儲(chǔ)陣列?？梢杂媒M合外部信號(hào)來使熔絲位處與不能被正確讀出的狀態(tài)，那樣就可以訪問存在內(nèi)部芯片上的信息了。用半侵入式攻擊可以使破解者快速取得成功但需要打開芯片的封裝來接近晶粒。一個(gè)眾所周知的方法就是用紫外線來擦掉安全熔絲。

再下一步就是將安全熔絲做成存儲(chǔ)器陣列的一部分，如果已設(shè)好熔絲，可禁止外部讀寫數(shù)據(jù)。一般的熔絲與主存儲(chǔ)器離得很近，或干脆與主存儲(chǔ)器共享一些控制線。因?yàn)榫A廠使用與主存儲(chǔ)器相同的工藝來制造，熔絲很難被定位和復(fù)位。非侵入式攻擊仍然可用，但需要時(shí)間去尋找。同樣，半侵入式攻擊也可用。當(dāng)然破解者需要更多的時(shí)間去尋找安全熔絲或控制電路負(fù)責(zé)安全監(jiān)視的部分，但這些可以自動(dòng)完成的。進(jìn)行侵入式攻擊將是很困難的，需要手工操作，那將花費(fèi)更多的成本來破解。

飛思卡爾Freescale的MC68HC705C9A微控制器在200倍顯微鏡下可見安全熔絲是存儲(chǔ)器讀寫控制邏輯的一部分。

更進(jìn)一步的是用主存儲(chǔ)器的一部分來控制外部對(duì)數(shù)據(jù)的訪問。這可以用上電時(shí)鎖定特定區(qū)域地址的信息，將它作為安全熔絲?；蛴妹艽a來控制對(duì)存儲(chǔ)器的訪問。例如德儀的MSP430F112，只有輸入正確的32字節(jié)密碼后才能進(jìn)行回讀操作。如果沒輸入密碼，只有擦掉芯片后才能操作。盡管這個(gè)保護(hù)方法看上去比先前的更有效，它有一些缺點(diǎn)可以用低成本的非侵入式攻擊如時(shí)序分析和功耗分析來破解。如果安全熔絲的狀態(tài)是上電或復(fù)位后的存儲(chǔ)器的一部分，這就給破解者用電源噪聲來破解的機(jī)會(huì)，強(qiáng)制電路進(jìn)入存儲(chǔ)器中的錯(cuò)誤狀態(tài)。

PIC16F648A偽頂層金屬層圖案使得對(duì)芯片進(jìn)行微探測(cè)攻擊更困難，200X

別的一些使入侵攻擊開銷更多的措施包括使用頂層金屬網(wǎng)格。所有的網(wǎng)格都用來監(jiān)控短路和開路，一旦觸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器復(fù)位或清零。普通的MCU不會(huì)使用這種保護(hù)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)較難，且在異常運(yùn)行條件下也會(huì)觸發(fā)，如:高強(qiáng)度電磁場(chǎng)噪聲，低溫或高溫，異常的時(shí)鐘信號(hào)或供電不良。故有些普通的MCU使用更廉價(jià)的偽頂層金屬網(wǎng)格，但這也有非常高效的光學(xué)分析進(jìn)行微探測(cè)攻擊的方法。在智能卡中，電源和地之間鋪了一些這樣的網(wǎng)格線。在這些方法中發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)缺陷使得可以進(jìn)行微探測(cè)攻擊。同樣，這些網(wǎng)格不能保護(hù)非侵入式攻擊。因?yàn)閷?dǎo)線之間有電容，并且光線可以通過導(dǎo)線抵達(dá)電路的有效區(qū)域，半侵入式攻擊仍然可能。

可編程的智能卡制造商走得更遠(yuǎn)，干脆砍掉標(biāo)準(zhǔn)的編程接口。取而代之的是啟動(dòng)模塊，可以在代碼載入后擦掉或屏蔽掉自己。這些卡只能在初始化時(shí)被編程一次，之后只能響應(yīng)使用者的嵌入軟件所支持的讀寫存在卡里的數(shù)據(jù)或程序。

意法ST的ST16系列智能卡芯片表面金屬層的敏感網(wǎng)格。

近期的一些智能卡使用存儲(chǔ)器總線編碼(Busencryption)技術(shù)來防止微探測(cè)攻擊。即使破解者獲得數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)也不可能知道密碼或別的敏感信息。這種保護(hù)措施直指侵入式和半侵入式攻擊。但非侵入式攻擊仍然可以像正常的CPU一樣訪問控制非編碼信息。事實(shí)上，幾年前就發(fā)現(xiàn)廉價(jià)地破解編碼信息的方法。

100倍顯微鏡下的英飛凌工Infineon SLE66系列的智能卡芯片上的硬件總線編碼模塊，保護(hù)存儲(chǔ)器免受微探測(cè)攻擊。

另外一些需要提及的改進(jìn)是將標(biāo)準(zhǔn)的模塊結(jié)構(gòu)如解碼器，寄存器文件，ALU和工I/0電路用類似ASIC邏輯來設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)稱為混合邏輯(Gluelogic)，廣泛用于智能卡?；旌线壿嬍沟脤?shí)際上不可能通過手工尋找信號(hào)或節(jié)點(diǎn)來獲得卡的信息進(jìn)行物理攻擊。這種技術(shù)廣泛用于盜版，并可提升常見CPU內(nèi)核的性能和安全性。例如Ubicom的SX28微控制器的引腳和程序都兼容于微芯的P工C16C57，但它使用了混合邏輯設(shè)計(jì)，閃存，大容量RAM使它的性能獲得大幅提升。在PIC微控制器中，破解者很容易跟蹤內(nèi)存到CPU的數(shù)據(jù)總線，但在SX微控制器中，幾乎不可能知道總線的物理位置，反向工程和微探測(cè)攻擊將是非常困難且耗費(fèi)時(shí)間。

Ubicom的SX28微控制器引入混合邏輯設(shè)計(jì)，提升了性能和安全性。更常用的是芯片由不同模塊組成，但每個(gè)模塊使用混合邏輯設(shè)計(jì)。如賽普拉斯的CY7C63001A微控制器。在這種情況下，破解者更容易跟蹤模塊之間的總線和控制線，并對(duì)芯片進(jìn)行侵入式和半侵入式攻擊?；旌线壿嬙O(shè)計(jì)不能防止非侵入式攻擊，但需要更快更昂貴的設(shè)備。半侵入式攻擊面臨偽設(shè)計(jì)模塊的問題。當(dāng)然破解者可以自動(dòng)操作來進(jìn)行窮舉搜索并嘗試攻擊所有可能區(qū)域。結(jié)果很可能是花了很長(zhǎng)時(shí)間并沒有取得成功。另一方面，破解者可以直接攻擊存儲(chǔ)器器或它的控制電路。

賽普拉斯Cypress的CY7C63001A微控制器使用部分混合邏輯設(shè)計(jì)，但內(nèi)部總線很容易被訪問。

技術(shù)的進(jìn)步增加了入侵攻擊的成本。十年前很容易使用激光切割器和簡(jiǎn)單的探針臺(tái)就可以讀寫芯片表面的任何點(diǎn)，但對(duì)于現(xiàn)代的深亞微米半導(dǎo)體芯片就需要用到不一般的且昂貴的技術(shù)，這難倒了很多潛在的破解者。PIC16F877很容易在顯微鏡下觀察并進(jìn)行反向工程，藏在頂層金屬下的第二層金屬和多晶硅層仍然可見。但在PIC16F887A微控制器中使用了平坦化工藝，使得不會(huì)顯示更深的層。唯一的方法是用物理或化學(xué)的方法除去頂層金屬。

500倍顯微鏡下，通過PIC16F877的頂層看到第二層金屬和多晶硅層

500倍顯微鏡下，看不到PIC16F877A的頂層金屬下有什么特別的

另外一個(gè)需要注意的是大量二手的半導(dǎo)體制造和測(cè)試設(shè)備出現(xiàn)在市場(chǎng)上，雖不能用于攻擊高端產(chǎn)品，但用于破解舊技術(shù)制造的芯片已經(jīng)夠了。