針對FPGA實(shí)現安全的系統內編程功能(05-100)

　　FPGA正越來(lái)越多地作為現代電子系統的核心部分。這有多個(gè)可能原因：FPGA的成本低、立即可用及精密性不斷提高,但最重要的還是FPGA硬件可重新配置,因此能輕易配合系統規格隨時(shí)改變的要求。

　　硬件可重編程是FPGA器件的“殺手锏”,其優(yōu)點(diǎn)多不勝數。除了明顯的優(yōu)勢在于幾乎毋須額外的成本便能更改半導體的功能外 (這遠較傳統的ASIC器件優(yōu)越),FPGA能夠應對規格改變的能力、增加功能,或快速實(shí)時(shí)配置客戶(hù)的設置,這意味著(zhù)FPGA產(chǎn)品能延長(cháng)應用壽命及提高盈利空間。

　　但有一個(gè)很重要的問(wèn)題需要考慮：我們能在多大程度上安全地配置系統環(huán)境下的FPGA,即實(shí)現系統內可編程 (ISP),使系統設計人員獲得最大的益處。我們當然希望能夠在系統完全制成后甚至在場(chǎng)地應用時(shí),都可以更改系統編程。也希望在大多數情況下,在器件重編程時(shí)進(jìn)行安全的控制。換言之,我們需要有完整的手段來(lái)控制對FPGA內IP的存取及保護,這手段稱(chēng)之為“安全ISP”。

　　為什么會(huì )有這個(gè)需求?因為FPGA的靈活性可為終端用戶(hù)帶來(lái)許多好處,但也可能在不法分子手上用以進(jìn)行不法的勾當,例如：

• 　　? 過(guò)建 (復制盜版)
• 　　? 盜取敏感的數據
• 　　? 篡改產(chǎn)品
• 　　? 黑客攻擊

　　隨著(zhù)許多公司都在本土之外設立制造基地,過(guò)建的行為越來(lái)越猖獗。過(guò)建是非法的行為,即不道德的合約制造商會(huì )在市場(chǎng)上購買(mǎi)額外的芯片來(lái)制造合約規定以外的系統產(chǎn)品,然后在市場(chǎng)上銷(xiāo)售,與OEM廠(chǎng)商進(jìn)行不公平的競爭。這種行為不僅會(huì )使OEM廠(chǎng)商降低所銷(xiāo)售產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額,同時(shí)也因額外的競爭而影響產(chǎn)品的邊際利潤,并且還增加技術(shù)支持成本和承擔更多負債責任。

　　盜取敏感數據是電子化數據時(shí)代中越來(lái)越嚴峻的問(wèn)題。擁有高精技術(shù)的犯罪者每每能夠盜取各種特許信息,如銀行帳號、社會(huì )安全保險號和其它重要資料。 手持銷(xiāo)售點(diǎn) (POS) 機可能成為盜取這類(lèi)信息的一個(gè)途徑;因為這些敏感信息一般都保存于系統的非揮發(fā)性片上數據存儲器中。如果這些內存未經(jīng)高度的加密保護,攻擊者就能夠盜取其中的重要數據。由于設備具有便攜式的特性,如容易開(kāi)啟和接入串連端口,就使問(wèn)題更加嚴重。

 

　　圖1 安全ISP的完整解決方案

　　篡改產(chǎn)品是系統易于重新配置引發(fā)的自然結果。篡改行為范圍廣泛,可以從微小但合法的程度 (如改動(dòng)引擎控制系統來(lái)提高汽車(chē)的性能),以至于犯法的行為 (如更改賭博機制的隨機性來(lái)牟利)。這種篡改意味著(zhù)產(chǎn)品制造廠(chǎng)需要承擔被篡改產(chǎn)品的法定或/和產(chǎn)品質(zhì)量責任,嚴重時(shí)還會(huì )引起公眾安全問(wèn)題。

　　黑客攻擊是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中的一個(gè)小但卻會(huì )不斷擴大的問(wèn)題。SRAM FPGA更特別易受黑客攻擊。文獻報道過(guò)很多黑客攻擊實(shí)例,當中,SRAM FPGA屢遭黑客采用隨機位流攻擊的方式實(shí)際地摧毀。因此,必須建立適當的系統保護機制,確保器件只會(huì )接受作為授權編程位流經(jīng)的認證信息。