fpga系列产品的漏洞机理分析

各位亲爱的FPGAer老铁，又到了令人愉悦的周五了，作为回归后的第一篇文章，小弟我彻夜难眠，一直在想写什么精彩的内容才能对得起自己吹的牛皮。真的是翻来覆去，思绪万千，翻开有道、印象、github、PornHxx，最终决定还是给大家讲一个大家都很关心的事情——《如何守住自己的秘密》。

很多小伙伴就会问了，是什么秘密呀，《不能说的秘密》还是《维多利亚的秘密》，快点快点，小马扎已经备好了，我要吃瓜！！！

我相信作为在座的每一位FPGAer都是一名优秀的时间管理大师，毕竟时序约束那点破事（点赞转发过2000，马上安排），咱不是天天在玩嘛。我觉得既然咱们花了那么多时间管理的设计，如何能保证它的秘密更应该值得深入研究。

咱们华夏子弟个顶个的聪明，个顶个的比别人努力，如今这么卷的行业赛道里，如何保证自己辛辛苦苦堆出来的优秀设计不被别人剽窃，当然了，更不能让别人反向出咱自己写的垃圾代码，不然多丢面呀，以后还混不混了。

今天我就给大家介绍一下和一位FPGA行业大牛讨论关于加密的内容，整理出来分享给大家，希望大家都能打起100万的精神，守卫自己的秘密花园。
 

01

设计加密简介

很多小伙伴对于加密的概念都不陌生，小到我们日常使用的银行卡加密，手机机密（密码、生物特征加密）、门锁加密，大到国家机密等，无一不是加密技术保护着我们个人的生命和财产安全。

今天我们主要介绍一下关于FPGA加密技术的介绍：

把自己的设计封装成ip，提供license的方式保护自己的设计；

把自己的设计封装成网表，保护自己的源代码设计；

把自己的设计代码故意改的乱七八糟，增加阅读难度和可行性（恶心自己也恶心别人），主打一个刺激。

为了保护自己辛辛苦苦，熬夜掉头发搞出来的设计，能使用的手段必须统统使出来。但是，你以为这样就安全了吗？

当初小弟我也以为自己的设计经过上述的操作，基本万无一失，谁来都无法剽窃我的设计，除非给的足够多！自从和大牛聊完以后，发现自己的设计在FPGA芯片设计大牛眼里，我在裸奔！

大牛给我说，其实对于前面说到的任何一种加密内容，最后都会落盘到bit位流中，对于他们FPGA芯片设计人员，有这份位流已经足够破解我的设计。

所以，为了防止FPGA泄密，保护最终的bit位流才是关键所在。

大牛给我分享了一个链接，我这才知道，原来国际知名大厂AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列产品，在bit位流安全性存在严重的缺陷和漏洞，今天我就带着大家深度扒一扒。

1 存在StarBleed硬件漏洞

2020年4月，来自德国的研究者在论文“The Unpatchable Silicon A Full Break of the Bitstream Encryption of Xilinx 7-Series FPGAs”中披露了一个名为“StarBleed”的漏洞，它存在于赛灵思的Virtex、Kintex、Artix、Spartan等全部7系列FPGA中。通过这个漏洞，攻击者可以同时攻破FPGA配置文件的加密和鉴权，由此可以获得用户的FPGA设计同时可随意修改FPGA中实现的逻辑功能。严重的是，这个漏洞并不能通过软件补丁的方式修复。漏洞的发现者已于2019年9月将这个漏洞知会了赛灵思，并在第二天就获得了赛灵思的承认。 该漏洞攻击的成本非常低，无需特别深奥难懂的专业知识，一般的硬件工程师就能按照论文完成破解。AMD-XILINX主流产品XC7K325T仅三小时即能完成的全位流破解。

2 不抗DPA攻击

AMD-XILINX FPGA对加密位流的解密方案采用了CBC-AES，在实现中并没有加入侧信道的防护措施，因此理论上就存在被侧信道攻击的风险。早在2011年，Moradi（StarBleed漏洞的第二发现者）等就在赛灵思 Virtex-II上使用侧信道攻击获得了位流的加密密钥。接下来，他又使用功耗侧信道攻击了赛灵思 Virtex-4、Virtex-5以及Altera Stratix II的加密位流，并获得了加密密钥。2016年，他又使用电磁侧信道攻击方法，成功攻击了Virtex-5、Spartan-6、Kintex-7和Arix-7 由于大牛是国内某FPGA大厂研发中心的核心设计人员，在小弟我三番五次，不要脸的请求下，给我展示了国内某安全实验室团队完成的XILINX XC7K325T的DPA侧信道攻击。 该攻击方法为采用Langer 的电磁探头采集EM信号，采集EM信号需要对FPGA进行开盖，去除表面金属封装，发现在FPGA芯片边缘的电容上可以找到较好信噪比的波形，下图是实际的采集位置和使用的U5-2的EM Probe。

测试平台架构

FPGA芯片开盖（V4）

信号采集位置（K7）

上文给兄弟们介绍了AMD-XILINX的7系列以及之前的FPGA系列产品的漏洞机理，接下来给大家展示一波，DPA攻击方法：

1）信号处理 使用U5-2 型号的EM探头采集8万条K7解密的曲线，采样率1G，采样数据FFT分析后进行滤波处理。 取2000条曲线进行平均，曲线如下：

在曲线下半部可以看到AES执行的26个尖峰毛刺，非常明显。 2）已知密钥分析 通过已知密钥分析，来定量密钥与泄露的关系 3）选择密钥攻击 4）攻击结论： 本次实验，使用EM Probe采集Xilinx Virtex-4和Kintex-7系列的FPGA解密比特流过程的曲线（V4：需要1.25*8=10万条左右；需要K7：15*8=120万条左右），经过信号处理后可以在黑盒测试条件下通过选择密文的方式，对解密过程进行CPA分析，从而恢复解密密钥。

3 密钥存储方式不安全

AMD-XILINX FPGA密钥存储支持两种模式： 1）BBRAM电池供电存储 已有公开文献发表，可通过激光注入读取BBRAM中保存的明文密钥，且BBRAM需要电池供电，应用可靠性大大降低。  

2）片上熔丝EFUSE存储 同样片上熔丝可通过简单的暴力逆向工程，获得密钥。

4 加密结束语

咱们说了这么多加密内容和破解加密的方法，就是为了让各位老铁知悉，一旦让别人窃取到FPGA密钥，就可以轻松破解出明文的bit位流，自然而然的是有方法反向出咱这千辛万苦设计出来的代码，从而让我们丧失商业竞争力和能动性。

 

加密寄语

 

面对这么严重的FPGA位流安全漏洞，很多AMD-XILINX FPGA的忠实粉丝却没有任何怨言，不是店大欺客，而是2020前，真的没法弥补，甚至无法替代。

话都到这份上了，各位FPGAers肯定会问，那这咋办呢，如果有加密需求的设计，那这X家又没有补丁可以把这个漏洞打上，这以后还能不能用他家的产品了。

万水千山总是情，问问本编行不行，这两年俺也不是白白下海的，随着国产化的浪潮大趋势，国内的FPGA厂家踏着集成电路法阵的浪潮来了，后续有机会可以找机会与他们交流，且看他们是如何解决加密问题！

编辑：黄飞