Microchip Technology Inc.
FPGA业务部技术主管
Tim Morin
什么情况下网络安全问题会变成物理安全问题？换句话说，什么情况下半导体必须具有内置篡改检测器？
在广泛的非国防市场，有些人认为网络安全完全可以满足他们的需求。毕竟，他们设置了栅栏、大门、警卫、摄像头和防火墙，并且由他们自己的员工来制造和/或生产自己的系统，从而实现了“物理”安全。这可能就足够了。但大家扪心自问，在什么条件下任何人（可能是员工）都可以访问一台设备，他们的哪些做法可使设备所具备的功能被利用或被秘密提取？
这势必需要公司回答以下问题：我的供应链管理是否安全？设备或货物是否曾“丢失”？设备如何停用？谁负责维修设备，设备如何升级？“谁可以在设备的使用寿命期间访问该设备，他们可以如何处理该设备？”这些问题的答案将有助于推动组织的决策过程。
下面是需要考虑的关键安全主题：
生产（制造印刷电路板）、配置和测试
在任何非易失性器件的编程过程中，公司是否使用了经过哈希运算且已签名的映像？是否存在记录已配置内容、已配置的电路板数量以及未通过出厂测试的电路板数量的可审核日志？这些日志是否经过哈希运算且已签名？
是否禁止了调试端口？
发货给客户
组织能否对发货件数与客户收到的件数进行核对？大多数客户会立即说“嘿，少了一件！”。但是，如果客户因为某种原因丢失了一件，该怎么办？这家公司不得不假定有一件设备流落在外。
公司及其客户能否验证交付设备的完整性？他们能否验证设备在运输过程中未遭到篡改？
已部署设备
设备上是否有防篡改密封？
是否只允许获得授权的技术人员维修设备？
是否允许远程更新？
如果允许，经过验证后，这些映像是否是完整的和真实的？
是否有适当的机制来防止回滚？
设备停用时是否执行零值化？是否使其无法操作？是否将其销毁？
如果对上述任何一个问题的回答都是“否”，那么组织应该认真考虑内置防篡改对策的半导体，这样他们便可根据设备在其生命周期内可能出现的风险情况为其量身定制篡改响应。例如，FPGA产品应该具有可用于定制威胁响应的多种防篡改功能（图1）。示例包括：
足够数量的数字篡改标志
多个模拟窗口电压检测器，可为您提供每个关键电源（Vdd、Vdd18和Vdda25）的高/低跳变点
数字窗口温度，可为您提供高/低管芯温度
来自内置温度检测器的原始电压和温度值
系统控制器慢速时钟，用于指示系统控制器的欠压条件
数字总线（至少5位），用于指示器件复位源（已触发DEVRST引脚、篡改宏输入、系统控制器看门狗和安全锁定篡改检测器，以及任何其他复位）
图1. Microchip PolarFire® FPGA和PolarFire SoC FPGA器件的设计和数据安全属性
篡改检测和响应
在对FPGA设计的篡改宏进行实例化时，应该可以使用多种类型的篡改标志。每个标志都有自己的用途：
标志[31:0] | 标志名称 | 说明 |
1 | MESH_ERROR | 有源网篡改标志。每当有源安全网发现实际金属网输出与预期输出不匹配时，将此标志置为有效。此举可防止侵入式攻击，例如使用聚焦离子束（FIB）技术对某个较高级别金属层的有源金属网的走线进行切割和探测。 |
2 | CLOCK_MONITOR_GLITCH | 每当时钟毛刺监视器检测到脉冲宽度超限时置为有效。 |
3 | CLOCK_MONITOR_FREQUENCY | 每当时钟频率监视器发现160 MHz和2 MHz RC振荡器之间的频率不匹配时置为有效。 |
4 | LOW_1P05 | 当1.05V电源（VDD）低于系统控制器1.05V检测器的低阈值时置为有效。 |
5 | HIGH_1P8 | 当1.8V电源（VDD18）高于系统控制器1.8V检测器的高阈值时置为有效。 |
6 | HIGH_2P5 | 当2.5V电源（VDD25）高于系统控制器2.5V检测器的高阈值时置为有效。 |
7 | 保留 | 保留。 |
8 | SECDED | 当系统控制器的内部存储器中出现2位误差时置为有效。这是导致POR的致命条件。 |
9 | SCB_BUS_ERROR | 当在系统控制器总线上检测到错误时置为有效。 |
10 | WATCHDOG | 当系统控制器的看门狗复位即将触发时置为有效。 |
11 | LOCK_ERROR | 当在受到持续监视的安全锁定段中检测到单位或双位误差时置为有效。 |
12 | 保留 | 保留。 |
13 | DIGEST | 当请求的摘要检查失败时置为有效。 |
14 | INST_BUFFER_ACCESS | 当使用JTAG/SPI接口对系统控制器的共享缓冲区执行读/写访问时，将该标志置为有效。 |
15 | INST_DEBUG | 当执行调试指令时置为有效。 |
16 | INST_CHECK_DIGESTS | 当请求外部摘要检查时置为有效。 |
17 | INST_EC_SETUP | 当使用椭圆曲线从指令时置为有效。 |
18 | INST_FACTORY_PRIVATE | 当执行工厂JTAG/SPI指令时置为有效。 |
19 | INST_KEY_VALIDATION | 当请求密钥验证协议时置为有效。 |
20 | INST_MISC | 当执行未分类的SPI从指令时置为有效。 |
21 | INST_PASSCODE_MATCH | 当尝试匹配密码时置为有效。 |
22 | INST_PASSCODE_SETUP | 当启动一次性密码协议时置为有效。 |
23 | INST_PROGRAMMING | 当使用外部编程指令时置为有效。 |
24 | INST_PUBLIC_INFO | 当发出器件公共信息请求时置为有效。 |
25 | 保留 | 保留。 |
26 | INST_PASSCODE_FAIL | 当密码匹配失败时置为有效。 |
27 | INST_KEY_VALIDATION_FAIL | 当密钥验证失败时置为有效。 |
28 | INST_UNUSED | 当执行未使用的指令操作码时置为有效。 |
29 | BITSTREAM_AUTHENTICATION_FAIL | 当比特流身份验证失败时置为有效。 |
30 | IAP_AUTO_UPDATE | 如果发生IAP更新（通过IAP系统服务或在器件引导时自动更新），则置为有效。 |
31 | IAP_AUTO_RECOVERY | 如果发生IAP恢复程序，则置为有效。 |
响应与检测同等重要。如果在单个事件、一系列事件或其中的任何事件组合发生期间，公司决定因未经授权的篡改而采取行动，则随着时间的推移，应针对事件对响应进行调整。或者，组织可以打击违例行为，强化安全部分。示例包括：
IO禁止
禁止所有用户IO。将IO重置为由其SEU抗扰配置位定义的状态。专用（JTAG、SPI和XCVR等）IO或未通过配置位配置的IO除外。只要将IO_DISABLE置为有效，即会禁止IO。
安全锁定
所有用户锁都设置为其锁定状态。
复位
向系统控制器发送复位信号以开始掉电和上电周期。
零值化
将任何或所有配置存储元件清零并进行验证。将内部易失性存储器（例如LSRAM、uSRAM和系统控制器RAM）清零并进行验证。零值化完成后，可以使用JTAG/SPI从指令检索零值化证书，以确认零值化过程成功。如果使能系统控制器挂起模式，则此篡改响应不可用。用户可以选择在零值化后进入两种不同的状态：
出厂状态——器件恢复到交付前的状态。
不可恢复。甚至公司也无法访问器件的内部。
零值化完成后，可以通过专用JTAG/SPI端口导出零值化证书，向外部实体保证器件确实已执行零值化。
在当今竞争激烈的环境中，网络安全还远远不够。公司制造的设备有可能会落入其竞争对手和危险分子的手中。半导体产品必须具有各种内置的防篡改功能，组织可以利用这些功能来定制其对这些威胁的响应。如需了解更多信息，请访问https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds
