基于FRAM的MCU為低功耗應用提高安全性

21ic訊 安全性在包括智能手機配件、智能儀表、個(gè)人健康監控、遙控以及存取系統等各種應用中正在變得日益重要。要保護收益及客戶(hù)隱私，OEM 廠(chǎng)商必須采用安全技術(shù)加強系統的防黑客攻擊能力。對于大量這些應用而言，將要部署數百萬(wàn)的器件，工程師面臨的挑戰是在不嚴重影響系統成本或可靠性的同時(shí)，確保最佳安全平衡。主要注意事項包括保護敏感數據的傳輸，防止 MCU 應用代碼及安全數據被讀取，防止 MCU 遭到物理攻擊，最大限度提高電源效率，以及支持安全升級，確保設備能夠應對未來(lái)安全威脅等。

安全設備必須能夠像銀行保險庫一樣有效地安全存儲敏感信息。這類(lèi)信息包括交換的實(shí)際數據(比如客戶(hù)的信用卡號或者何時(shí)用了多少電的記錄等)以及任何確保通信通道安全的加密數據(如安全密鑰及密碼等)等。

最新低功耗微處理器 (MCU) 集成降低安全應用成本與功耗所需的高性能以及各種特性，可幫助開(kāi)發(fā)人員為低功耗應用提高安全性。此外，它們還采用非易失性 FRAM 替代 EEPROM 或閃存提供穩健統一的存儲器架構，從而可簡(jiǎn)化安全系統設計。

FRAM 的優(yōu)勢

與基于閃存的傳統系統相比，FRAM 可提供優(yōu)異的保留性與耐用性。采用閃存，數據按晶體管充電狀態(tài)存儲(如開(kāi)或關(guān))。寫(xiě)入閃存時(shí)，必須先擦除相應的塊然后再寫(xiě)入。這個(gè)過(guò)程可對閃存造成物理?yè)p壞，最終導致晶體管無(wú)法可靠保持電荷。

確保閃存的最長(cháng)使用壽命，通常部署損耗平衡等技術(shù)在各個(gè)塊上平攤使用量，以避免某些常用塊過(guò)早損壞。進(jìn)而需要評估閃存系統可靠性，是因為閃存的耐用性規范反映的是平均故障率，每個(gè)具體塊的耐用性有高有低。此外，保留的可靠性會(huì )隨耐用性極限的接近而下降，因為保留是根據每個(gè)存儲器元素的磨損進(jìn)行統計的。

圖1：FRAM PZT 分子的模型

相比之下，FRAM 將數據按分子極化狀態(tài)存儲。由于該過(guò)程為非破壞性，因此 FRAM 具有幾乎無(wú)限期的保留性與耐用性。對必須在整個(gè)設備使用壽命期間執行 20,000 至 40,000 次交易的移動(dòng)支付系統等應用而言，FRAM 無(wú)需考慮耐用性與可靠性問(wèn)題。

此外，FRAM 的高耐用性也關(guān)系到某些應用的安全性。例如，要提高通信安全性，每次新傳輸都需要生成新密鑰。這種方法必須考慮閃存和 EEPROM 的耐用性問(wèn)題。使用 FRAM 就無(wú)需考慮密鑰改變頻次對存儲器耐用性產(chǎn)生影響的問(wèn)題。

校準

除了防止應用數據和加密密鑰遭到非授權讀寫(xiě)之外，系統還必須防止參數被惡意篡改，導致敏感信息被訪(fǎng)問(wèn)，甚至發(fā)生物理 MCU 本身受到侵害攻擊的情況。MCU 容易受到各種攻擊的侵害，導致存儲器中存儲的數據、應用代碼或安全密鑰被提取。

在許多情況下，MCU 攻擊的目的都是為了改變器件上存儲的數據。例如，自動(dòng)計量?jì)x表上的使用數據可能被修改，顯示實(shí)際使用數額偏低，導致每月賬單降低。一般說(shuō)來(lái)，黑客不是去修改收集到的數據，而是要改變應用代碼本身。要達到這一目標，它們必須首先獲得應用代碼畫(huà)面，進(jìn)行逆向工程，然后在系統中使用修改后的版本進(jìn)行成功覆蓋。

圖 2：TI MSP430FR59xx MCU 建立在超低功耗“Wolverine”技術(shù)平臺基礎之上，采用非易失性 FRAM 替代 EEPROM 或閃存提供高穩健統一存儲器架構，可簡(jiǎn)化安全系統設計

目前已經(jīng)出現了大量強制系統暴露保密信息甚至其應用代碼的方法。例如，故障攻擊可引發(fā)故障操作，讓系統進(jìn)入不可預測的狀態(tài)，從而使其輸出安全密鑰或應用代碼塊。此外，黑客還可對系統進(jìn)行物理攻擊，分離 MCU 或采用光學(xué)手段引發(fā)故障。需要注意的是，不是所有以下攻擊情境都適用于所有應用，具體可能發(fā)生哪種攻擊取決于風(fēng)險數據的應用及價(jià)值。

• 機械探查：雖然對 EEPROM 進(jìn)行機械探查比較困難，但仍可通過(guò) IC 后端、采用既不破壞浮動(dòng)柵，又不破壞比特單元數據的方法做到。相比之下，FRAM 的極化狀態(tài)只有在電路完整時(shí)才能檢測到。

• 電源分析：頻譜電源分析 (SPA) 和動(dòng)態(tài)電源分析 (DPA) 是測量 MCU 電磁輻射或電源使用的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，其可創(chuàng )建用來(lái)確定 MCU 內部所做工作的配置文件。EEPROM 與閃存需要工作電壓為 10 至 14V 的電荷泵，使其比較容易檢測到。FRAM 極其快速的讀寫(xiě)速度(分別為 50 ns 和 200 ns 以下)以及較低的工作電壓 (1.5 V) 使其被成功安裝基于 SPA 或 DPA 的攻擊極為困難。

• 顯微鏡檢查：實(shí)踐證明，使用 Atomic Force Microscopy (AFM) 或 Scanning Kelvin Probe Microscopy (SKPM) 可在后端剝層后檢測到 EEPRO 中的浮動(dòng)柵電荷水平，因此可記錄存儲在存儲器位置上或在數據線(xiàn)路上傳輸的數據。

• 電壓篡改：這類(lèi)攻擊多年來(lái)一直針對 EEPROM 及閃存設備，特別是用于電話(huà)卡作弊。實(shí)際上，就是讓設備輸入電壓超過(guò)標準范圍，對比特單元進(jìn)行強制編程。注意，提供工作時(shí)間比 EEPROM 比特單元完成編程所需時(shí)間長(cháng)得多的欠壓及過(guò)壓保護電路系統非常困難。不過(guò)，FRAM 的讀寫(xiě)時(shí)間很快，因此可對電壓篡改攻擊進(jìn)行保護。

• 光篡改：有證據表明，EEPROM 比特單元可能因為 Optical Fault Induction 攻擊而導致數據值被修改。激光或 UV 輻射都不會(huì )影響 FRAM 比特單元(忽略強光熱效應)，因此基于 FRAM 的設備對于這類(lèi)攻擊而言是安全的。

• 輻射：阿爾法粒子可導致 EEPROM 中的比特替換。實(shí)踐證明，FRAM 架構不受阿爾法粒子及其它輻射源影響。此外，由于 FRAM 的鐵電屬性，其也不受磁場(chǎng)影響。

圖 3：FRAM 與 EEPROM 受影響情況一覽表

對于眾多上述攻擊的應對措施就是確保閃存及 EEPROM IC 的安全性。但是，與某種攻擊實(shí)例以及某單個(gè)器件上被盜用數據的價(jià)值相比，這些應對措施往往實(shí)施起來(lái)成本太高。此外，這些應對措施可提高電源需求，提升應用設計復雜性，從而可降低整體系統可靠性。然而，由于 FRAM 提供針對不同類(lèi)型攻擊的所有內在恢復力，因此可對安全應用產(chǎn)生比閃存和 EEPROM 更積極的影響，降低設計復雜性，消除實(shí)施應對措施的開(kāi)銷(xiāo)。