芯片接口IP：數(shù)字世界的第一層“屏障”

本文轉自TechSugar

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當前，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)量就將達到56.16ZB，年復合增長率為24.9%。

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

我們都知道芯片是數(shù)據(jù)流轉的核心載體，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)濟損失也越來越大，因此安全已經(jīng)成為芯片設計架構中不可或缺的一環(huán)。

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、PC，到出行時乘坐的汽車、高鐵，再到生產(chǎn)制造中的工控、機器人等皆是如此。之所以會這樣，就是因為芯片是各行各業(yè)實現(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)中心領域，這個領域的安全強度往往取決于下層硬件系統(tǒng)的強度，因為底層漏洞能夠從內(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。因此，我們看到芯片的可信根是數(shù)據(jù)中心安全架構師開始構建安全防護體系的源頭。

另一個具有代表性的領域是汽車，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建是當前各行業(yè)的表率。就以EVITA HSM規(guī)范來說，它是SHE（Secure Hardware Extension，安全硬件擴展）規(guī)范的擴展，用數(shù)字密鑰的方式構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，該架構的左側是密碼協(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 （圖源：英飛凌）

很明顯，安全已經(jīng)成為芯片架構的一部分。除了數(shù)據(jù)中心和智能汽車，智能手機和PC等領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是脫節(jié)的，安全問題需要通過補丁解決，解決不了的則在下一代設計中添加。

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

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，因此實際上不存在絕對安全的芯片，不過通過更好的芯片架構設計，我們便能夠在芯片安全防護戰(zhàn)中占得先機。那么，該如何去部署更安全的芯片架構呢？

相信很多人從英飛凌典型HSM邏輯架構中已經(jīng)看出端倪——接口IP對打造安全芯片至關重要。為了加強這一概念，我們再舉一個實例，下圖是蘋果公司的Secure Enclave方案框圖，能夠看到該方案增強芯片安全的節(jié)點都是在傳輸環(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。這便是我們要傳達給大家的理念。

為什么要這樣講呢？事實上，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，也可以理解為芯片能夠向外提供的安全服務，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，向外提供安全服務需要通過接口，外界對芯片的攻擊實際上也是通過芯片接口。

意識到這一點之后，芯片領域的接口標準很快就做出了積極的回應。我們還是以數(shù)據(jù)中心這個領域為例，為了提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩Ｕ?，PCI-SIG和CXL標準組織在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”點標注的認證和密鑰管理，和“2”點標注的完整性和數(shù)據(jù)加密 (IDE)。

圖3：PCIe 5.0和 CXL 2.0規(guī)范中的安全措施

“認證和密鑰管理”包括認證、鑒權、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)境安全模塊中運行；“完整性和數(shù)據(jù)加密”是為PCIe的事務層數(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，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設備接口安全協(xié)議（TDISP），保護虛擬主機和設備的互聯(lián)。

不過，雖然知道接口IP在芯片安全中的重要性，但是在實際芯片設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行融合，如何實現(xiàn)這些安全方案都是讓開發(fā)者“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供應商沒有技術實力和優(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。

另外，如下圖所示，隨著芯片集成度的提高，接口IP的復雜度也在提升，包括DDR、PCIe、CXL、以太網(wǎng)、MIPI、USB、UFS、eMMC、HDMI和DisplayPort等，開發(fā)者不僅需要確認每一個接口IP的標準、規(guī)范和安全性，還需要確保整個系統(tǒng)是受到保護的。優(yōu)秀接口IP供應商此時的優(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

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和智能汽車領域的高速發(fā)展，增速達到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供應商，同時也是信息安全和軟件質量的全球領導者，新思科技為芯片產(chǎn)業(yè)提供廣泛的安全接口IP產(chǎn)品，實現(xiàn)最高級別的SoC安全性，以保護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IP核模塊，幫助開發(fā)者更好地利用PCIe5.0架構或CXL2.0接口進行HPC SoC設計。

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，實現(xiàn)系統(tǒng)中密鑰的無縫更改；

• 針對無保護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，讓開發(fā)者在開發(fā)滿足最新標準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；

• 讀寫通道獨立保護；

• 基于符合標準的AES-XTS加密算法的加密/解密；

• 支持256位和512位AES-XTS密鑰大??；

• 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預計算；

• 高效的密鑰設置和刷新；

• 密鑰讀回保護/歸零；

• 支持FIPS 140-3認證；

• 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，這是實現(xiàn)高效、低延遲安全性能的關鍵。

適合各種應用最廣泛協(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（HDCP v2.3）的安全HDMI和DisplayPort接口；

• 具有加密和身份驗證的安全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的安全接口設計，你都能在新思科技找到對應的解決方案。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IP讓我們能夠在硅面積預算內(nèi)達到安全標準和性能水平。”

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，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，擁有深厚的技術積累和領先的行業(yè)理解，能夠提供安全、透明、易用的接口IP產(chǎn)品，攜手IC設計公司共同打造更安全的SoC產(chǎn)品。