針對FPGA實現安全的系統內編程功能(05-100)

　　FPGA正越來越多地作為現代電子系統的核心部分。這有多個可能原因：FPGA的成本低、立即可用及精密性不斷提高,但最重要的還是FPGA硬件可重新配置,因此能輕易配合系統規格隨時改變的要求。

　　硬件可重編程是FPGA器件的“殺手锏”,其優點多不勝數。除了明顯的優勢在于幾乎毋須額外的成本便能更改半導體的功能外 (這遠較傳統的ASIC器件優越),FPGA能夠應對規格改變的能力、增加功能,或快速實時配置客戶的設置,這意味著FPGA產品能延長應用壽命及提高盈利空間。

　　但有一個很重要的問題需要考慮：我們能在多大程度上安全地配置系統環境下的FPGA,即實現系統內可編程 (ISP),使系統設計人員獲得最大的益處。我們當然希望能夠在系統完全制成后甚至在場地應用時,都可以更改系統編程。也希望在大多數情況下,在器件重編程時進行安全的控制。換言之,我們需要有完整的手段來控制對FPGA內IP的存取及保護,這手段稱之為“安全ISP”。

　　為什么會有這個需求?因為FPGA的靈活性可為終端用戶帶來許多好處,但也可能在不法分子手上用以進行不法的勾當,例如：

• 　　? 過建 (復制盜版)
• 　　? 盜取敏感的數據
• 　　? 篡改產品
• 　　? 黑客攻擊

　　隨著許多公司都在本土之外設立制造基地,過建的行為越來越猖獗。過建是非法的行為,即不道德的合約制造商會在市場上購買額外的芯片來制造合約規定以外的系統產品,然后在市場上銷售,與OEM廠商進行不公平的競爭。這種行為不僅會使OEM廠商降低所銷售產品的營業額,同時也因額外的競爭而影響產品的邊際利潤,并且還增加技術支持成本和承擔更多負債責任。

　　盜取敏感數據是電子化數據時代中越來越嚴峻的問題。擁有高精技術的犯罪者每每能夠盜取各種特許信息,如銀行帳號、社會安全保險號和其它重要資料。 手持銷售點 (POS) 機可能成為盜取這類信息的一個途徑;因為這些敏感信息一般都保存于系統的非揮發性片上數據存儲器中。如果這些內存未經高度的加密保護,攻擊者就能夠盜取其中的重要數據。由于設備具有便攜式的特性,如容易開啟和接入串連端口,就使問題更加嚴重。

 

　　圖1 安全ISP的完整解決方案

　　篡改產品是系統易于重新配置引發的自然結果。篡改行為范圍廣泛,可以從微小但合法的程度 (如改動引擎控制系統來提高汽車的性能),以至于犯法的行為 (如更改賭博機制的隨機性來牟利)。這種篡改意味著產品制造廠需要承擔被篡改產品的法定或/和產品質量責任,嚴重時還會引起公眾安全問題。

　　黑客攻擊是互聯網時代中的一個小但卻會不斷擴大的問題。SRAM FPGA更特別易受黑客攻擊。文獻報道過很多黑客攻擊實例,當中,SRAM FPGA屢遭黑客采用隨機位流攻擊的方式實際地摧毀。因此,必須建立適當的系統保護機制,確保器件只會接受作為授權編程位流經的認證信息。