【安全硬件】Chap.2 如何破译一个CMOS门级电路；传播延迟、动态功耗、静态功耗可能泄露电路的构造以及输入密钥；非侵入式攻击 Non-Invasive Attacks
【安全硬件】Chap.2 如何破译一个CMOS门级电路；传播延迟、动态功耗、静态功耗可能泄露电路的构造以及输入密钥；非侵入式攻击 Non-Invasive Attacks
- 前言
- CMOS电路结构可能存在安全隐患，可能泄露秘密
- 1. 传输延迟可能泄露电路的输入密码
- 1.1 传播延迟Propagation Delay
- 1.2 Elmore delay估算电路的传播延迟
- Elmore delay表达式中的0.69是怎么来的呢？
- 1.3 通过传播延迟破译NAND门的输入密码
- 计算传播延迟
- 对比输入密码
- 2. 动态功耗可能泄露电路的输入密码
- 正在处理的数据与消耗的动态功率
- 3. 静态功耗可能泄露电路的构造和当前输入
- 动态功耗与静态功耗的测量
- Input pattern effects on power consumption
- 扩展：物理攻击Physical Attacks
- 非侵入式攻击 Non-Invasive Attacks
- 侵入式攻击 Invasive Attacks
前言
请思考一个芯片的特征，比如芯片的面积和重量、功耗、运行频率、延迟、吞吐量等，这些都与芯片内部的电路设计有关。而包括大部分数字、模拟和混合信号的 IC 芯片都是使用 CMOS 技术制造的，作为一名学生学习半导体技术也是从CMOS开始入手的。为了引导芯片设计工程师深入了解硬件层面的安全，本文简述了安全硬件和CMOS技术之间的关系。
CMOS电路结构可能存在安全隐患，可能泄露秘密
在芯片硬件层面的安全性上，由于芯片是在硅上实施的，攻击者经常使用物理攻击手段，即利用片上系统 (SoC) 的物理属性（例如时序或电压）来提取信息或诱发不良行为。如果硅基层出现故障，导致敏感数据泄露或被轻易访问，整个系统的安全性就会受到威胁。
Physical Security Solutions
1. 传输延迟可能泄露电路的输入密码
特定单元的传播延迟取决于其输入模型，通过测量传播延迟，攻击者可以找到电路系统的输入密码。
在不同的输入下，同一个CMOS电路上的晶体管的开关数量和位置不一样，导致电路信号从输入到输出的路径上延迟时间不一样，故推断出Delay is dependent on the pattern of inputs.
以CMOS反相器举例：
- 输入1时，处于下拉网络PDN的PMOS导通，实际上要经过等效电阻Rp和负载电容CL；
- 输入0时，处于上拉网络PUN的NMOS导通，实际上要经过等效电阻Rn和负载电容CL。
 图1 CMOS反相器
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图2 输入1和0时的传播路径1
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如果黑客攻击者只知道这是一个反相器，但不知道这部分电路正确的启动密码是多少？输入密码是1还是0？
- 在不影响电路工作的状态下，可以偷偷在电路上接一个“秒表”，依次尝试输入0和1，确认当输出正确的时候此反相器的传播延迟，就可以找到正确密码了。
- 很科学神奇的破译方式~
invertor delay
CLoad,Cint,Cext,Cwire
1.1 传播延迟Propagation Delay
检测输入和输出信号，两者的50%点的差称为传播延迟，代表了输入传播到输出延迟的时间。
1.2 Elmore delay估算电路的传播延迟
Elmore delay的意义：Elmore delay formula provides a closed form expression to calculate the propagation delay, wherein each transistor is modelled as an effective resistor。
Elmore delay的定义：
Elmore延迟是电子系统中通过RC网络的延迟的简单近似。对于树状结构网络，求出每个段的延迟，即R乘以下游C。对从根到接收器的延迟求和。
Elmore delay的计算：
模型可以看作是找到每段的延迟,即R与下游电容的乘积,然后取各延迟之和。
tpHLt_{pHL}tpHL：输入从高到低转换的 Elmore 延迟；tpHL=0.69(Rn+CL)t_{pHL}=0.69(R_n+C_L)tpHL=0.69(Rn+CL)。
tpLHt_{pLH}tpLH：输入从低到高转换的 Elmore 延迟；tpLH=0.69(Rp+CL)t_{pLH}=0.69(R_p+C_L)tpLH=0.69(Rp+CL)。
tpt_{p}tp ：平均传播延迟；tp=tpHL+tpLH2t_{p}=\frac{t_{pHL}+t_{pLH}}{2}tp=2tpHL+tpLH。
WIKI - Elmore delay
Elmore delay如何计算
Elmore delay表达式中的0.69是怎么来的呢？
由v(t)=1−e−tRCv(t)=1-e^{-\frac{t}{RC}}v(t)=1−e−RCt，可以推出t=ln(2)∗RCt=ln(2)*RCt=ln(2)∗RC，其中ln(2)≈0.69ln(2) \approx 0.69ln(2)≈0.69
1.3 通过传播延迟破译NAND门的输入密码
记住：Delay is dependent on the pattern of inputs.
NAND2电路 AB‾\overline{AB}AB，上面是PUN，上拉用的是PMOS管。下面是PDN，下拉用的是NMOS管：
- 输入AB是11的时候NMOS导通，PMOS不导通，OUT接到了GND，电路输出电压0，
- 输入AB是00的时候PMOS导通，NMOS不导通，OUT接到了VDD，电路输出电压1。
计算传播延迟
对于这个NAND2的CMOS电路：
当输入A、B都由1变为0时，传播延迟为0.69(Rp2)CL0.69({\frac{R_p}{2})}C_L0.69(2Rp)CL
当只有一个输入A或B由1变为0时，传播延迟为0.69RpCL0.69{R_p}C_L0.69RpCL
当输入A、B都由0变为1时，传播延迟为0.69(2Rn)CL0.69({2}{R_n})C_L0.69(2Rn)CL
当只有一个输入A或B由0变为1时电路一直都是输出1，传播延迟和A、B都为1时的表现一样。
当AB从11变到00的时候（inputs go low），输出最终会变成1。上电的过程会经历给CLOAD充电，和PMOS上的等效电阻RPMOS，因为上半部分PUN是并联的，所以电阻要除以2。反之，当AB从00变到11，一样的解释，PDN是串联的，电阻要乘以2。
对比输入密码
| 输入A | 输入B | 输出Y | 传播延迟 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | PD-1 (ns) |
| 0 | 1 | 1 | PD-2 (ns) |
| 1 | 0 | 1 | PD-2 (ns) |
| 1 | 1 | 0 | PD-3 (ns) |
Congrats! You can guess what input is appiled to the CMOS logic gate, by measuring effectively the propagation delay.
指定单元的传播延迟取决于其输入信号类型，因此，黑客只要能发现输入密码和硬件芯片上的传播延迟之间的相关性，可以推测出电路的输入密码是多少。
2. 动态功耗可能泄露电路的输入密码
功率分析-wiki
CMOS电路处理不同信息的功耗不同，CMOS电路的动态功耗与输入信号保持相关。攻击者研究加密硬件设备的功耗，可以了解有关正在处理的数据的部分信息。
Hardware Security Challenges Beyond CMOS: Attacks and Remedies
Gate-Level Hardware Countermeasure Comparison against Power Analysis Attacks
正在处理的数据与消耗的动态功率
CMOS电路正在处理的数据与消耗的功率之间的关系，是由输入信号的变化导致的。
其中 0→0、0→1、1→0 和 1→1 转换具有不同的功耗值
3. 静态功耗可能泄露电路的构造和当前输入
Power Balanced Circuits for Leakage-Power-Attacks Resilient Design
现代CMOS技术中静态功耗的持续上升导致了对密码系统的一类新型安全攻击的产生。后者利用泄漏电流与输入模式之间的相关性来推断密钥;它被称为漏功率分析(LPA)。
动态功耗与静态功耗的测量
Input pattern effects on power consumption
- 找静态功耗与输入不同信息之间的关联，可以尝试解开密钥，从而通过破译硬件的方式猜出安全芯片的密码。
- 由上图可以看到CMOS构造的不同输入情况下的不同门的静态功耗/泄露功耗不同。
- 如果我是攻击者，我可以很容易地拿一个"万用表"通过测量静态功耗地方法猜到这个电路的类型是什么，以及当前的输入是什么
ps,使用功率平衡(m-of-n)逻辑设计方法是一个很有前途的解决方案，可以规避泄露电流的黑客探测方法。
Leakage Power
扩展：物理攻击Physical Attacks
非侵入式攻击 Non-Invasive Attacks
非侵入式攻击可以采取多种不同的形式。一些攻击涉及扰动技术（导致硅的意外行为），其他攻击则采用侧信道攻击 (SCA) 的形式，旨在泄露秘密信息（例如，加密密钥）。
SCA 涉及观察行为，例如操作时间、功耗或电磁辐射。设备所有者很难检测和响应这种攻击（例如，撤销泄露的密钥）。最重要的是，非侵入式攻击的实施成本通常非常低，而且可扩展性很强，可能会危及整个系统的安全性。
侵入式攻击 Invasive Attacks
侵入式攻击从移除芯片封装开始。芯片打开后，可以进行微扰攻击，也可以进行探测或修改攻击（通过蚀刻、钻孔或激光切割至少部分钝化层）。
过去，侵入性攻击通常意味着大量投资——它们需要数天或数周时间，在拥有高素质专家的专业实验室中进行。如今，租用一些设备使这种攻击更容易获得。
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