EDA是設計安全系統(tǒng)的基礎

隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設備的迅速普及和部署，各個層面都出現(xiàn)了安全風險。它可能在可用性級別，例如社會工程、借口、網(wǎng)絡釣魚;在原始級別，例如密碼分析;在軟件級別，例如客戶端腳本、代碼注入;現(xiàn)在甚至在硬件級別。在硬件運行過程中，我們經(jīng)?？吹絺刃诺婪治觥⒗鋯?、故障注入等風險;或在硬件設計和制造周期中。顯著的風險包括 IP 盜竊、逆向工程、克隆和硬件木馬。

圖 1：SoC 中的安全基礎架構

一個安全的系統(tǒng)也需要各個級別的實施支持。在每個級別上，基于以下假設來評估安全機制的強度：基礎實現(xiàn)滿足一組給定的安全要求，這些要求隨后在較低級別強制執(zhí)行。最常見和最重要的安全要求是機密性和完整性。機密性要求系統(tǒng)不會無意中泄露信息，并且通過部署秘密加密密鑰來實現(xiàn)。完整性要求系統(tǒng)執(zhí)行的功能不多于也不少于預期，并通過驗證和測試技術進行檢查。確保系統(tǒng)執(zhí)行的功能不超過預期是一個更困難的問題，但現(xiàn)在正在開發(fā)許多解決方案。最近，DARPA授予Synopsys為其安全硅自動實施（AISS）計劃的主承包商，該計劃非常專注于硬件硅安全實施和自動化。

作為核心的 EDA 工具業(yè)務部門，Synopsys 的設計團隊是 AISS 計劃的關鍵部分。盡管安全實現(xiàn)在IC設計中并不是一個新概念，但許多設計人員并不了解用于實現(xiàn)的技術。這包括限制邏輯不關心、禁用未使用的有限狀態(tài)、安全內(nèi)核中的靜態(tài)代碼加密、動態(tài)代碼完整性驗證，以及容錯設計和水印等。作為安全實現(xiàn)專家的實施工程師還必須考慮安全性、功耗、成本和性能之間的權衡;對于普通設計師來說，這是一項艱巨的任務。DARPA的AISS計劃旨在為這一領域提供實用的解決方案。這項工作不僅可以自動化和解決安全設計挑戰(zhàn)，而且在工具內(nèi)部設置安全性還可以提高安全級別，因此您不必向更廣泛的開發(fā)社區(qū)公開某些安全機制。

AISS是一個為期4年，3階段的計劃。第 1 階段是將安全系統(tǒng)組合在一起，第 2 階段是為其添加一些自動化，第 3 階段是優(yōu)化功能，這是 EDA 真正可以大放異彩的地方。例如，設計人員知道如何運行簡單的流，但為了安全起見，可能有一些我們不想向設計人員公開的特殊功能。我們只想將該結構放入設計中，將所有實現(xiàn)留給工具和自動化，而不會公開設計意圖。有時，一個域所需的自動化與安全域的需求不一致。例如，掃描插入，您可以完全訪問設計中的每個觸發(fā)器，對于邪惡的參與者來說，這是一個非常容易進入并控制輸入或觀察輸出以查看設計內(nèi)部發(fā)生的事情的目標。添加壓縮會使這變得更加困難，因為我們在前端使用多路復用器或在后端使用專用OR門。我們還可以添加壓縮函數(shù)，在前端具有線性反饋移位寄存器，在后端具有多個輸入簽名寄存器。盡管這進一步混淆了進出的數(shù)據(jù)，但它仍然容易受到不良行為者的攻擊。

從流程的角度來看，用戶會期望某些事情。例如，當他們將 RTL 轉換為門時，他們希望能夠運行流驗證，并且一切都很好并且有效。在某些情況下，我們會有一些 RTL 到 RTL 的轉換，因此我們需要確保當我們在這里和那里之間插入某種鍵或鎖定函數(shù)時，這些額外的寄存器或額外的組合錐體仍然可以從一個 RTL 識別到另一個。同樣，如果我們在綜合時在RTL和門電平之間插入一些門，我們希望確保我們之前放入的東西不會被擦除，并且在綜合優(yōu)化通過并從安全角度影響設計后突然不起作用。然后，之后，我們希望完全驗證工作，因為我們添加了額外的密鑰和修改的錐體，也許密鑰是已知的或未知的。

圖 2：添加到設計邏輯中的混淆和鎖定

AISS將把我們自摩爾定律以來業(yè)界使用的PPA驅(qū)動的實施概念擴展到PPAS，“S”表示安全約束。雖然PPA（功率、性能和面積）以瓦特、赫茲和納米為單位定義，但以算法驅(qū)動的自動化所需的定量方式定義安全性更為復雜。事實上，不僅風險水平本身需要定量規(guī)范，而且需要對與風險相關的安全成本進行定量評估，以生成用于優(yōu)化的高級成本函數(shù)。一旦定義了這些參數(shù)，我們將需要對這些相關的安全級別定義和測量進行行業(yè)標準化。與PPA不同，安全設計是一個復雜的組合問題，其中存在的特殊情況比傾向于NP困難的一般情況具有較低的復雜性。它不僅僅是一種依賴于控制和基于數(shù)據(jù)流的安全分析的優(yōu)化算法，這使得這項工作非常令人興奮。

為了提供更多的顏色，例如，為了保護供應鏈，我們正在應用水印。我們正在為IP加水印，因此當它進入現(xiàn)場時，我們可以看到IP是否屬于我們的。為了防止逆向工程，我們提供了邏輯鎖定和混淆功能，我們可以選擇實現(xiàn)這些功能。我們可以利用這些安全工具或?qū)崿F(xiàn)細節(jié)，并將這些功能應用于 RTL 或基于我們的安全目標的設計。如果我們試圖提高供應鏈的安全性，則可以實施水印或鎖定。對于逆向工程，混淆可以與鎖定結合使用。您可能希望為這四種安全問題（供應鏈、逆向工程、側信道攻擊、特洛伊木馬）設置不同級別的保護，我們可以撥入這些內(nèi)容，選擇一定數(shù)量或選擇一定數(shù)量的修改并達到一定級別：128 位鎖或 256 位鎖。水印是 50 步還是 1，000 步？

我們的最終目標是將從架構到安全強化 RTL 的時間從一年縮短到一個月，甚至一周，并且成本大幅降低。設計流程片段需要相互交互，以便在前面的步驟中插入的特征不會在后面的流程步驟中丟失。需要保持數(shù)據(jù)元素及其在設計和部署中的使用之間的協(xié)調(diào)，以便密鑰可以解鎖設備功能，并且可以在現(xiàn)場驗證水印。

審核編輯：郭婷