Аппаратные закладки под микроскопом. Обнаружение

Дисклеймер. Много лет в сообществе технических специалистов идёт дискуссия о возможности внедрения троянов в популярные коммерческие микросхемы. К сожалению, в этот чисто технический вопрос вмешиваются политические аргументы: мол, давайте переходить на российские процессоры, потому что в западных чипах закладки! Такой типичный FUD (см. контрпропаганду на Хабре). Кстати, американские коллеги используют такие же аргументы, но против китайских микрочипов. Похоже, политики любят использовать «пугалки» для принятия выгодных решений, ведь искусство политики древнее самого человечества.

Хотим ещё раз подчеркнуть: мы исследуем эту тему исключительно в общемировом контексте как важную область микроэлектроники и информационной безопасности. А как используют данные факты ангажированные представители индустрии и политики — пусть останется на их совести.

В прошлой статье мы подробно обсудили классификацию аппаратных бэкдоров и методы их закладки.

Если вкратце, ввести аппаратный бэкдор можно на любом этапе производственного цикла: от проектирования до корпусировки. По мнению некоторых исследователей, самым рискованным является именно этап проектирования (см. статью Hardware Trojans in Chips: A Survey for Detection and Prevention, doi: 10.3390/s20185165), а не производства. Дело в том, что внешнему подрядчику (производственной фабрике) не так легко внести изменения в готовый проект, присланный заказчиком. Гораздо легче разместить закладку самому разработчику микросхемы на этапе проектирования, когда проект открыт на экране компьютера в инструменте EDA.

Более того, в таком случае закладку можно внедрить гораздо более скрытно. После скандала с Meltdown и Spectre появилось мнение, что именно на таком уровне мы увидим следующую волну атак. То есть даже после обнаружения бэкдора останется сомнение, а это действительно бэкдор или просто случайная ошибка разработчиков?

▍ Обнаружение

В 2022 году вышло наиболее полное исследование, которое суммирует существующие практические данные по реальному обнаружению аппаратных троянов. Если свести к сухому остатку, то обнаружение осуществляется тремя методами:

• тесты формы волны (waveform tests);
• тесты на задержку прохождения сигнала (delay tests);
• проверки на пустоты «заполненной» матрицы.

Так называемые «тесты формы волны» предполагают проверку неизменности сигнала на всех возможных входных и выходных значениях. Вероятно, эту процедуру можно автоматизировать.

Сравнение сигнала до и после внедрения аппаратной закладки (код Verilog дизайна с закладкой и без, проверить можно в EDA Playgrounds)

Тесты на задержку работают, потому что каждый логический гейт даёт некоторую произвольную, но известную задержку, так что вставка неавторизованного гейта в проект увеличивает эту задержку настолько, что её можно обнаружить (в определённых границах).

Наконец, тесты на пустоты матрицы исходят из того, что реальные гейты должны находиться в строго определённых областях, чтобы не вносить задержку или не увеличивать энергопотребление.

Как мы уже упоминали, в качестве защитной меры можно провести полный реверс-инжиниринг, то есть обратную разработку микросхем, анализировать их функциональность, по возможности сравнив с образцом:

Но для сравнения образцов не обязательно выполнять полный реверс-инжиниринг. В некоторых случаях может быть эффективна быстрая проверка с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

▍ Сравнение образцов под микроскопом

В 2018 году было опубликовано исследование, посвящённое физическим методам выявления аппаратных бэкдоров, то есть с помощью физического осмотра (под микроскопом). Для обнаружения аномалий исследователи применили продвинутые алгоритмы машинного зрения. А непосредственно сканирование выполнялось на сканирующем электронном микроскопе Variomill.

Внешний вид установки Variomill

Например, так выглядят элементы микросхемы в установке Variomill с энергией сканирующего луча 5, 10 и 15 кВ (верхний ряд), полем зрения 500, 100 и 20 мкм (второй ряд), скоростью сканирования 3,2 мкм/пиксель, 10 мкм/пиксель и 32 мкм/пиксель (третий ряд), а также с разным разрешением (четвёртый ряд).

Для уточнения заметим, что объектом сканирования выступает микросхема RFID со старой смарт-карты, какие часто производятся по техпроцессу 90–180 нм.

В рамках эксперимента учёные сначала аккуратно модифицировали изображение. Они добавили туда четыре аппаратные закладки. Две из них — путём изменения стандартной цифровой логики в слое легирования, а ещё две — путём добавления абсолютно новых элементов на микросхеме.

Одна из двух закладок, сделанных путём изменения в цифровой логике (NAND → NOR)

Четыре установленных бэкдора (зелёные и синие квадраты). Красным цветом обозначены пустые области на микросхеме

Исследователи проверили, насколько распознаются такие бэкдоры с помощью электронного микроскопа и системы машинного зрения. Обработка изображений начинается с выравнивания, регистрации и очистки от высокочастотного шума (фильтр FFT). Затем повышается контрастность, чтобы лучше выделить детали в области легирования (верхний слой), где находятся значимые признаки, на тёмном фоне подложки. На каждом сегменте изображения приходится адаптивно изменять настройки контрастности и яркости для достижения наилучшего результата. Результатом такой обработки становится чёрно-белое изображение, где чёрный фон — это подложка, а белые цвета — элементы в области легирования, с резкими краями. Неровности сглаживаются гауссовым фильтром, а артефакты шума в виде белых точек просто заливаются чёрным цветом, чтобы не создавать ложных срабатываний во время последующей работы алгоритма машинного зрения.

Затем выполняется сравнение изображений по структурному сходству (SSIM). Индекс SSIM — метрика, которая сравнивает пиксели по трём характеристикам: яркость, контраст и структура (отношение ковариаций между образцами).

Вот схематично процесс обработки:

Слева направо: фото оригинала (golden IC); фото с фабричного образца c выделенными изменениями по сравнению с оригиналом; изображение после бинаризации и гауссова фильтра; наиболее подозрительные области, выделенные алгоритмом SSIM

Автоматическое сравнение образцов на сканирующем электронном микроскопе — это «лайтовая», более быстрая версия стандартного реверс-инжиниринга. По мнению исследователей, она позволяет сократить время сканирования с нескольких месяцев до нескольких часов.

Ни один из этих методов не способен обнаружить саботажа в производстве изделия путём ухудшения его физических свойств с запланированным устареванием, усиленной деградацией или быстрым выходом из строя. Дело в том, что такие акты саботажа не изменяют слой легирования, а меняют характеристики, например, покрытия или подложки (так называемая «параметрическая» закладка).

Кроме того, сканер закладок не обнаруживает изменение толщины межсоединений, например, линий питания, что тоже является одним из видов производственного саботажа.

Если сравнивать такой сканер с электрическими тестами, то он обеспечивает более надёжный результат:

В упомянутой научной работе исследователи искали изменения, якобы внесённые нечистоплотным подрядчиком (полупроводниковой фабрикой) в оригинальные шаблоны. Но ранее уже отмечалось, что некоторые считают самым рискованным именно этап проектирования, а не производства. Что делать, если нечистоплотным выступит не подрядчик, а разработчик микросхемы — это риторический вопрос. Возможно, никакие микроскопы тут не помогут.

По мнению безопасников, бэкдоры в микросхемах — это «не проблема, которую можно решить, а скорее условие, в котором мы существуем». Такой подход к жизни — часть философии стоицизма. Это не значит, что мы обязаны бездействовать. Просто если жизнь не очень приятная, то это принимается спокойно, без истерики.