為什么芯片大廠都將接口IP作為打造安全SoC著力點(diǎn)？

當(dāng)前，我們正處于一個數(shù)據(jù)大爆炸的時代。IDC數(shù)據(jù)顯示，全球數(shù)據(jù)量自2022至2026五年時間里將增長一倍以上，僅中國的數(shù)據(jù)量就將達(dá)到56.16ZB，年復(fù)合增長率為24.9%。

高速增長的數(shù)據(jù)量讓我們從“計算驅(qū)動”走向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”，數(shù)據(jù)正成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的生產(chǎn)要素，也引發(fā)出三個關(guān)鍵性問題——開放流通、價值挖掘和安全保護(hù)。

我們都知道芯片是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的核心載體，數(shù)據(jù)的計算、傳輸和存儲都離不開芯片。近幾年，“芯片后門”事件時有發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失也越來越大，因此安全已經(jīng)成為芯片設(shè)計架構(gòu)中不可或缺的一環(huán)。

安全是芯片架構(gòu)的一部分

大數(shù)據(jù)時代，芯片的地位就像電氣時代的電能一樣。如果將終端產(chǎn)品的外包裝去除，芯片便隨處可見，從人們生活中使用的手機(jī)、PC，到出行時乘坐的汽車、高鐵，再到生產(chǎn)制造中的工控、機(jī)器人等皆是如此。之所以會這樣，就是因?yàn)樾酒歉餍懈鳂I(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化的物理載體。因此，每一個行業(yè)都在強(qiáng)調(diào)芯片安全。

我們看兩個具有代表性的行業(yè)。首先是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，這個領(lǐng)域的安全強(qiáng)度往往取決于下層硬件系統(tǒng)的強(qiáng)度，因?yàn)榈讓勇┒茨軌驈膬?nèi)部瓦解軟件的防御體系，讓黑客和不法分子獲得整個系統(tǒng)的訪問特權(quán)。因此，我們看到芯片的可信根是數(shù)據(jù)中心安全架構(gòu)師開始構(gòu)建安全防護(hù)體系的源頭。

另一個具有代表性的領(lǐng)域是汽車，由于汽車功能的特殊性，可以說汽車對于芯片安全體系的構(gòu)建是當(dāng)前各行業(yè)的表率。就以EVITA HSM規(guī)范來說，它是SHE（Secure Hardware Extension，安全硬件擴(kuò)展）規(guī)范的擴(kuò)展，用數(shù)字密鑰的方式構(gòu)建整個汽車芯片硬件安全體系。如下圖所示，這是英飛凌公司展示的一種典型HSM邏輯架構(gòu)，該架構(gòu)的左側(cè)是密碼協(xié)處理器HSM，通過安全模塊與執(zhí)行內(nèi)核TriCore和芯片外部通信；還提供一個HSM域，作為一個內(nèi)部的可信執(zhí)行環(huán)境。

圖1：典型HSM邏輯架構(gòu)

(圖源：英飛凌)

很明顯，安全已經(jīng)成為芯片架構(gòu)的一部分。除了數(shù)據(jù)中心和智能汽車，智能手機(jī)和PC等領(lǐng)域的芯片基本都擁有一套完整的芯片安全體系。這是芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重大改變。在過去很長一段時間里，安全體系和芯片架構(gòu)是脫節(jié)的，安全問題需要通過補(bǔ)丁解決，解決不了的則在下一代設(shè)計中添加。

隨著數(shù)據(jù)價值提升，這種安全和架構(gòu)分離的方式顯然不能夠適應(yīng)這個時代，芯片需要從設(shè)計之初就確保足夠安全。

如何讓芯片更安全

從行業(yè)發(fā)展的情況來看，推動芯片安全的要素有兩個：黑客攻擊和法律法規(guī)。數(shù)據(jù)價值量的提升讓黑客的攻擊不再局限于軟件層面，使用更安全的芯片就意味著擁有更完整的安全防御體系；法律法規(guī)層面，像歐洲《通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例》(GDPR)這樣的法案已經(jīng)非常多，不勝枚舉。

安全和防御是一個動態(tài)的博弈，因此實(shí)際上不存在絕對安全的芯片，不過通過更好的芯片架構(gòu)設(shè)計，我們便能夠在芯片安全防護(hù)戰(zhàn)中占得先機(jī)。那么，該如何去部署更安全的芯片架構(gòu)呢？

相信很多人從英飛凌典型HSM邏輯架構(gòu)中已經(jīng)看出端倪——接口IP對打造安全芯片至關(guān)重要。為了加強(qiáng)這一概念，我們再舉一個實(shí)例，下圖是蘋果公司的Secure Enclave方案框圖，能夠看到該方案增強(qiáng)芯片安全的節(jié)點(diǎn)都是在傳輸環(huán)節(jié)，包括處理器和DRAM內(nèi)存的連接，處理器和NAND閃存的連接，以及芯片上的I2C接口等。

圖2：蘋果Secure Enclave安全方案

（圖源：蘋果公司）

從主流芯片廠商的方案中能夠看出，對于芯片設(shè)計而言，往往接口安全了，芯片也就安全了。這便是我們要傳達(dá)給大家的理念。

為什么要這樣講呢？事實(shí)上，芯片的安全主要有兩個維度：第一個是基于芯片的安全服務(wù)，也可以理解為芯片能夠向外提供的安全服務(wù)，包括密碼算法、密鑰管理、PUF等；第二個是芯片自身需要的安全防護(hù)能力，要能夠抵抗外來的物理攻擊，檢測和防御故障注入攻擊等。

不難發(fā)現(xiàn)，芯片安全這兩大維度都是圍繞著芯片接口展開的，向外提供安全服務(wù)需要通過接口，外界對芯片的攻擊實(shí)際上也是通過芯片接口。

意識到這一點(diǎn)之后，芯片領(lǐng)域的接口標(biāo)準(zhǔn)很快就做出了積極的回應(yīng)。我們還是以數(shù)據(jù)中心這個領(lǐng)域?yàn)槔?，為了提?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%BC%A0%E8%BE%93/">數(shù)據(jù)傳輸的安全保障，PCI-SIG和CXL標(biāo)準(zhǔn)組織在2020年末將完整性和數(shù)據(jù)加密等安全要求添加到PCIe 5.0和CXL 2.0規(guī)范中，增加了下圖中“1”點(diǎn)標(biāo)注的認(rèn)證和密鑰管理，和“2”點(diǎn)標(biāo)注的完整性和數(shù)據(jù)加密 (IDE)。

圖3：PCIe 5.0和 CXL 2.0規(guī)范中的安全措施

“認(rèn)證和密鑰管理”包括認(rèn)證、鑒權(quán)、測量、識別和密鑰交換等功能，它讓所有功能都在可信的執(zhí)行環(huán)境安全模塊中運(yùn)行；“完整性和數(shù)據(jù)加密”是為PCIe的事務(wù)層數(shù)據(jù)包(TLP)和CXL的流量控制單元(FLIT)提供保密性、完整性和重放保護(hù)，它確保線路上的數(shù)據(jù)不會被觀察、篡改、刪除、插入和重放。

根據(jù)規(guī)范詳情，PCIe6.0中繼續(xù)保留了工程變更通知(ECN)與完整性和數(shù)據(jù)加密這些安全功能，滿足TEE設(shè)備接口安全協(xié)議（TDISP），保護(hù)虛擬主機(jī)和設(shè)備的互聯(lián)。

不過，雖然知道接口IP在芯片安全中的重要性，但是在實(shí)際芯片設(shè)計過程中依然會面臨其他方面的挑戰(zhàn)。

首先，如果是自研接口IP，除了接口IP研發(fā)本身就具有很高的技術(shù)壁壘之外，如何保證接口IP安全也是一個很大的挑戰(zhàn)。綜合而言，目前產(chǎn)業(yè)界大概有數(shù)十種保障接口IP安全的方案，包括加密傳輸、API Key驗(yàn)證、請求限制、防止SQL注入、完整性和數(shù)據(jù)加密等，采用哪些安全方案進(jìn)行融合，如何實(shí)現(xiàn)這些安全方案都是讓研發(fā)工程師“頭疼”的事情。

其次，如果是采用第三方的接口IP。Riscure的高級安全分析師Nicole Fern曾表示，如果接口IP供應(yīng)商沒有技術(shù)實(shí)力和優(yōu)勢，那么其產(chǎn)品的透明度會很差，你可能需要先閱讀“500頁”的產(chǎn)品說明書才能夠知曉這款接口IP的使用限制范圍，一旦有所疏忽，所謂的安全將會是形同虛設(shè)。

另外，如下圖所示，隨著芯片集成度的提高，接口IP的復(fù)雜度也在提升，包括DDR、PCIe、CXL、以太網(wǎng)、MIPI、USB、UFS、eMMC、HDMI和DisplayPort等，研發(fā)人員不僅需要確認(rèn)每一個接口IP的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和安全性，還需要確保整個系統(tǒng)是受到保護(hù)的。優(yōu)秀接口IP供應(yīng)商此時的優(yōu)勢便凸顯出來了——既安全，又透明，且易用。

圖4：SoC上需要確保安全性的接口非常多

新思科技全棧式接口IP安全方案

一直以來，IP在芯片產(chǎn)業(yè)都有著崇高的地位，和EDA工具并稱為“芯片產(chǎn)業(yè)上的皇冠”。根據(jù)IPnest提供的數(shù)據(jù)，在IP產(chǎn)業(yè)里，接口IP近幾年受益于數(shù)據(jù)中心、5G和智能汽車領(lǐng)域的高速發(fā)展，增速達(dá)到IP產(chǎn)業(yè)平均增速的兩倍。

圖5：芯片產(chǎn)業(yè)金字塔

（圖源：方正證券）

不過，正如上文提到的，高速發(fā)展的接口IP不僅要滿足更高的數(shù)據(jù)傳輸要求，同時也要提供透明、可靠的安全保障，賦能大數(shù)據(jù)時代更好地發(fā)展。

作為全球排名第一的芯片接口IP供應(yīng)商，同時也是信息安全和軟件質(zhì)量的全球領(lǐng)導(dǎo)者，新思科技為芯片產(chǎn)業(yè)提供廣泛的安全接口IP產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)最高級別的SoC安全性，以保護(hù)HPC、IoT、移動和汽車SoC免受篡改和物理攻擊。

• 安全PCIe 6.0/5.0接口和CXL 3.0/2.0接口

早在2021年2月，新思科技就推出了DesignWare IDE安全模塊——業(yè)界首個符合PCIe5.0和CXL2.0規(guī)范的完整性和數(shù)據(jù)加密安全I(xiàn)P核模塊，幫助研發(fā)人員更好地利用PCIe5.0架構(gòu)或CXL2.0接口進(jìn)行HPC SoC設(shè)計。

圖6：用于PCIe5.0的DesignWare IDE安全模塊框圖

圖7：用于CXL2.0的DesignWare IDE安全模塊框圖

綜合而言，DesignWare IDE方案有以下幾個優(yōu)勢：

• 接收和發(fā)送方向的全雙工最大化吞吐量；
• 無縫集成靈活的數(shù)據(jù)總線寬度以及與控制器相同的時鐘配置；
• 基于256位密鑰大小的AES-GCM加密算法，為PCIe TLP和CXL FLIT提供高效的加密、解密和認(rèn)證；
• 密碼和哈希算法的寬度可配置以滿足方案的面積和延遲優(yōu)化；
• 高效的動態(tài)密鑰刷新，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中密鑰的無縫更改；
• 針對無保護(hù)流量的低延遲順序旁路模式。

目前，新思科技的IDE安全模塊已經(jīng)能夠適用于最新的PCIe6.0和CXL3.0規(guī)范，讓研發(fā)人員在開發(fā)滿足最新標(biāo)準(zhǔn)的高性能計算芯片時，同樣做到性能和安全性兼顧，且在上市時間上取得領(lǐng)先。

• 具有內(nèi)嵌存儲加密(IME)功能的安全DDR控制器

在現(xiàn)有的計算架構(gòu)中，計算和存儲是最核心的兩大單元。內(nèi)存和存儲安全旨在保護(hù)存儲資源和存儲在其中的數(shù)據(jù)，那么DDR、LPDDR、GDDR 和HBM內(nèi)存接口上的數(shù)據(jù)安全就顯得非常重要。

下面這款方案是新思科技推出的具有集成IME安全功能的安全DDR/LPDDR控制器。方案優(yōu)勢包括：

• 高性能、低延遲的安全內(nèi)存接口，可高效地支持各種數(shù)據(jù)流量；
• 讀寫通道獨(dú)立保護(hù)；
• 基于符合標(biāo)準(zhǔn)的AES-XTS加密算法的加密/解密；
• 支持256位和512位AES-XTS密鑰大小；
• 超低延遲（低至2個周期）；
• 每個區(qū)域加密/解密；
• 每個周期一次tweak預(yù)計算；
• 高效的密鑰設(shè)置和刷新；
• 密鑰讀回保護(hù)/歸零；
• 支持FIPS 140-3認(rèn)證；
• 旁路模式。

圖8：具有集成IME安全功能的安全DDR/LPDDR控制器

如圖8所示，這是一種內(nèi)嵌式的存儲安全接口，與相關(guān)的DDR控制器緊密集成，靠近PHY接口，在DRAM突發(fā)模式下工作，這是實(shí)現(xiàn)高效、低延遲安全性能的關(guān)鍵。

• 適合各種應(yīng)用最廣泛協(xié)議的安全接口

除了安全PCIe6.0/5.0接口和CXL3.0/2.0接口，具有內(nèi)嵌存儲加密（IME）的安全DDR/LPDDR接口以外，新思科技豐富的安全接口IP方案還包括：

• 具有媒體訪問控制安全性（MACsec）的安全以太網(wǎng)接口；
• 具有高清內(nèi)容保護(hù)（HDCP v2.3）的安全HDMI和DisplayPort接口；
• 具有加密和身份驗(yàn)證的安全USB接口；
• 具有Die-to-Die接口加密的安全Multi-Die系統(tǒng)；
• 具有端到端安全傳輸?shù)陌踩玀IPI接口；
• 具有內(nèi)嵌加密和高級重放保護(hù)內(nèi)存塊（RPMB）的安全UFS和eMMC接口。

也就是說，圍繞高性能SoC的安全接口設(shè)計，你都能在新思科技找到對應(yīng)的解決方案。這些方案不僅讓你的芯片能夠滿足最新的行業(yè)規(guī)范，同時也具備行業(yè)領(lǐng)先的安全性。并且，這些IP都是易于集成的，正如Arbe硬件工程副總裁Avi Bauer所言，“新思科技的安全I(xiàn)P讓我們能夠在硅面積預(yù)算內(nèi)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)和性能水平?！?/p>

結(jié)語

數(shù)據(jù)大爆炸的時代，信息的價值也隨之飛升，因此帶來的數(shù)據(jù)安全挑戰(zhàn)是極大的。芯片作為大數(shù)據(jù)的物理載體，其安全的重要性已經(jīng)不言而喻，關(guān)系到國計民生的方方面面。

在打造安全芯片的過程中，把好接口IP的安全關(guān)，芯片也就安全了。新思科技作為全球頂尖的IP方案商，在接口IP方面，擁有深厚的技術(shù)積累和領(lǐng)先的行業(yè)理解，能夠提供安全、透明、易用的接口IP產(chǎn)品，攜手IC設(shè)計公司共同打造更安全的SoC產(chǎn)品。