Hardveres trójai vírusok ASIC és FPGA áramkörökben

Hardveres trójai vírusok ASIC és FPGA áramkörökben

1

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Fogalmak

 Hardveres trójai „vírus”: a hardver rosszindulatú megváltoztatása, amely speciális feltételek mellett a rendszer funkciójának megváltozását okozza

2

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Rövidítések

   

HTH: hardware trojan horse IP: intellectual property SoC: System on Chip Outsourcing: a vállalkozáson kívül elérhető erőforrások igénybevétele a vállalkozás feladatainak ellátásához

3

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

HTH beillesztése a HDL kódba

4

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

HTH beillesztése a HDL kódba

5

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Miért kell a HTH-val foglalkozni?

 Elektronikus eszközök nagy szerepet játszanak életünkben  Bizalmas adatok tárolása, továbbítása  Különböző fontos (pl. orvosi berendezések) vezérlése  Katonai alkalmazások

 Outsourcing miatt ki vagyunk szolgáltatva az integrált áramkört gyártó vállalatnak  “Report of the defense science board task force on high performance microchip supply.“ Defense Science Board, US DoD, Februar 2005

6

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Félvezető gyártó üzemek

Rank 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Company TSMC UMC Globalfoundries Samsung Semiconductor SMIC TowerJazz Vanguard (VIS) Dongbu HiTek IBM MagnaChip SSMC Hua Hong NEC Win Semiconductors X-Fab

Foundry Type Pure-play Pure-play Pure-play IDM Pure-play Pure-play Pure-play Pure-play IDM IDM Pure-play Pure-play Pure-play Pure-play

Country of origin       Taiwan       Taiwan       United States       South Korea       China       Israel       Taiwan       South Korea       United States       South Korea       Singapore       China       Taiwan       Germany

Revenue (million $USD) 14,600 3,760 3,580 1,975 1,315 610 519 500 445 350 345 335 300 285

7

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Foglalkozik-e vele valaki?

8

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Fogalmak, rövidítések Miért kell a HTH-val foglalkozni?

Foglalkozik-e vele valaki?

9

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális eszközök típusai

10

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

FPGA blokkdiagram és floorplan  FPGA: helyszínen programozható logikai tömb

11

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

FPGA tervező környezet

12

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Bitstream letöltése az FPGA-ba

13

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

ASIC floorplan (Intel Nehalem microarchitecture)  ASIC: alkalmazásspecifikus integrált áramkör

14

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Bitstream vs. GDSII

15

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

16

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

17

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

18

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

19

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

20

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

21

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Digitális áramkör tervezési lépési Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

22

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Tervezési és gyártási folyamat részletesebben

23

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Tervezési fázis veszélyek

 Támadó hozzáfér az összes forrásfájlhoz  Még, ha megbízható mérnök tervez, akkor is meg kell bízni  3rd party IP core (pl. Ethernet vezerlő)  Tervező szoftverek  Standard cellák (csak ASIC esetén: pl. NAND kapu valóban egy NAND kapu)

24

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

Gyártási fázis veszélyek

 FPGA  Bitstream nem mindig titkosított  Ha mégis az lenne: már publikáltak DPA technikán alapuló támadást

 ASIC  Támadó módosítani tudja a maszk fájlokat gyártás előtt  Logika hozzáadása (nehéz feladat)  Adalékolás megváltoztatása (pl. inverter -> konstans VCC tápfeszültség)

 Gyártás után is módosítható az áramkör FIB-bel (Focused Ion Beam) 25

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

FPGA ASIC Áramkörök tervezésének lépései

A továbbiakban… Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

 Általánosan a HTH-ról  Taxonómia  Aktivitás  Triggerelési mechanizmus

 Tervezési és gyártási folyamat során  Implementáció  Detektálás  Megelőzés 26

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH taxonómia

27

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH aktivitás

 Funkció módosítás  Logikai hozzáadása, törlése  Pl. hibadetektáló modul olyan bemeneteket is elfogad, melyeket egyébként elutasítana  Titkosítás során egyes lépések kihagyása

28

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH aktivitás

 Információ szivárogtatás  RF, optikai, termikus úton  Esetleg soros porton, JTAG-en vagy akár interneten keresztül  A szivárogtatás során a küldés tipikusan rejtve marad (adott zajszint alatt marad az érték)  Pl. RF esetében spread spectrum segítségével

29

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH aktivitás

 Denial of Service  Szűkös erőforrások kimerítése  SoC busz folyamatos foglalása  Számítási kapacitás  Akkumulátor (egyes modulokat nem hagyunk sleep módba jutni vagy felesleges meghajtó áramköröket helyezünk le)

 Fizikai elváltozás  Hot Carrier Injection(HCI)  Oxide Breakdown (OB) (nagy elektromos mező miatt a FET-ek gate alatti oxid rétegének átütése következik be, ami rövidzárt okoz)  Negative Bias Temperature Instability (NBTI)  Electron-Migration (EM) 30

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH triggerelési mechanizmus

 Áramkörön belüli trigger  Egyszerű esetben pl. egy buszra kiadott címet figyelünk  Bonyolultabb esetben állapotgép segítségével egy megadott szekvenciára várunk  Sokkal nagyobb állapotteret kell megvizsgálni, ha detektálni akarjuk, így ez hatékonyabb

31

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH triggerelési mechanizmus

 On-chip termikus kommunikáció

32

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH triggerelési mechanizmus

 Trigger feltétele valamilyen külső input  Szenzoroktól származó értékek  Hőmérséklet  Feszültség  Páratartalom  stb…

 Egyéb  Soros porton beérkező adat

33

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

Bemutató: saját hardveres trójai áramkör implementáció

34

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

Verilog forrásfájlok

35

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

RTL szintű modell

36

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

Kapuszintű modell

37

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

Rendszertani besorolása Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

38

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH implementáció Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

39

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

FPGA típusok

Xilinx + Altera + Lattice (+ SiliconBlue) > 90 % piaci részesedés

Microsemi (+Actel) 40

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

SRAM FPGA

41

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

FPGA nem titkosított bitstream

42

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

FPGA nem titkosított bitstream módosítás

43

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

FPGA titkosított bitstream módosítás

44

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

FPGA titkosított bitstream módosítás

 On the Vulnerability of FPGA Bitstream

Encryption against Power Analysis Attacks – Extracting Keys from Xilinx Virtex-II FPGAs –

 Differential Power Analysis

45

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH implementáció Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

46

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

Standard cellás ASIC - basic floorplan

47

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

ASIC adalékanyag maszk módosítás

48

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

CMOS inverter

49

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

ASIC adalékanyag maszk módosítás

50

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

ASIC adalékanyag maszk módosítás

51

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH detektálás Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

52

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH detektálás

 Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) segítségével  Apró eltéréseket nehéz észrevenni

53

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH detektálás

 Funkcionális tesztelés  Gyártás után történik  Adott bemenetre a várt kimenetet kapjuk-e  Nem kimerítő keresés

54

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH detektálás

 Side-channel comparison

55

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH megelőzés Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

 Tervezés során, ha nem megbízható CAD rendszert használunk, az elkészített terveket érdemes saját fejlesztésű (megbízható) programmal megvizsgálni.

56

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH megelőzés Specifikáció FPGA ASIC

Szöveges leírás

Tervezés Magas szintű programnyelv C++ és SystemC

HDL VHDL és Verilog

Kapcsolási rajz Kapcsolási rajz szimbólumok

Áramkör

Gyártás Bitstream

Tranzisztorok Floorplan

Terjesztés Áramkör kész, betokozva

 Újraprogramozható logika beiktatása egyes helyekre, így a támadó nem tudja, hogy a maszkot hogyan módosítsa, mivel csak később fog a tényleges funkcionalitás eldőlni.  Logika duplikálása, adatok keverése (scrambling).

57

Bevezető Digitális áramkörök HTH részletesen

Bevezető áttekintés Saját hardveres trójai implementáció Tervezési és gyártási folyamat során a HTH

HTH megelőzés

58