密码芯片的物理攻击与防护对策.pdf

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1、微电子学研究所微电子与纳电子学系密码芯片的物理攻击与防护对策清华大学微电子学研究所许军2012年8月27日微电子学研究所微电子与纳电子学系内容提要密码芯片面临的安全性挑战各种常见的物理攻击技术分析针对不同物理攻击手段的防护对策总结与展望微电子学研究所微电子与纳电子学系内容提要密码芯片面临的安全性挑战各种常见的物理攻击技术分析针对不同物理攻击手段的防护对策总结与展望微电子学研究所微电子与纳电子学系近年来，涉及信息安全的密码芯片面临着越来越严重的安全性挑战，已经出现了各种不同层次、不同水平的攻击手段，概括起来主要可以划分为以下几种：（1）窃听攻击方法（Eavesdropping）

2、非破坏（2）软件攻击方法（SoftwareAttacks）性攻击（3）故障生成方法（FaultGeneration）破坏性（4）微区探测方法（Microprobing）攻击微电子学研究所微电子与纳电子学系（1）窃听攻击方法这种攻击方法既不需打开芯片的封装，也不需要操纵芯片的工作过程，只需通过检测、分析密码芯片正常工作时泄漏出来的各种电磁辐射信号的组成、电源供电电流的起伏涨落、各种信号线上的泄漏电流以及各种通讯协议的时序等，就可以分析破解获得密码芯片中的相关加密信息。有时也称之为“旁路攻击方法”例如：功耗分析方法包括：简单功耗分析差分功耗分析（一阶、高阶）CMOS电路结构微电子

3、学研究所微电子与纳电子学系（2）软件攻击方法这种攻击方法主要是利用密码芯片的通讯协议、密码算法及其电路实现过程中存在的各种安全性漏洞，采用正常的标准通讯接口对密码芯片进行攻击，从而获取芯片中相关的加密信息。例如：软件穷举搜索法等（3）故障生成方法这种攻击方法通过使密码芯片工作在特殊的外部环境应力条件下（例如高低温、电源电压拉偏和峰值冲击、时钟相位跳变、电离辐射、违反通讯协议以及强制局部电路复位等），来诱发关键器件的失效行为，扰乱电路中的加密系统，从而激发芯片的内部故障，最终获取芯片的相关加密信息。微电子学研究所微电子与纳电子学系（4）微区探测方法这种攻击方法需要打开密码芯片的

4、封装，然后利用微探针探测芯片内部的关键数据通道等相关结构，从而截获芯片的相关加密信息。这是一种破坏性的物理攻击方法，如果它与芯片的光学反向工程技术相配合，甚至最终可以完成整个密码电路芯片的版图重构。微电子学研究所微电子与纳电子学系在上述几种攻击方法中，第一、第二种方法属于非破坏性的攻击方法，第三种方法则介于破坏性与非破坏性之间，它们共同的特点是攻击方法便捷、攻击过程快速，攻击成本也比较低，同时具有较强的隐蔽性和欺骗性，不易引起被攻击者的警觉。但是这几种攻击方法也容易受到各种抗攻击技术措施的抵御。目前针对这几种非破坏性的攻击方法，从加密算法和电路设计层面已经发展出了多种有效的抵

5、御攻击措施，包括：掩码技术，功耗平衡技术，利用真随机数发生器实现的时钟扰乱技术等。最后一种攻击方法属于破坏性的攻击方法，也就是我们下面将要讨论的物理攻击手段，它的攻击技术比较复杂，攻击成本也比较高，但是其给信息安全芯片带来的危害性也最大。微电子学研究所微电子与纳电子学系内容提要密码芯片面临的安全性挑战各种常见的物理攻击技术分析针对不同物理攻击手段的防护对策总结与展望微电子学研究所微电子与纳电子学系物理攻击手段所需的主要设备条件：进行密码芯片的物理攻击必须具备一定的硬件设备条件，主要包括：化学腐蚀工作台、微区探针测试台、超声压焊机、光学共焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、聚焦

6、离子束（FIB）设备、激光微区切割设备、微区精密定位装置（微动工作台）、CCD摄像机、多通道示波器、时钟信号发生器、图形发生器、逻辑分析仪、直流稳压电源，以及一台用于各种信号采集和数据处理的高性能计算机。微电子学研究所微电子与纳电子学系物理攻击手段的主要步骤：（1）获取相关的密码电路芯片，这是对其实施各种物理攻击的必要前提；（2）利用机械切割或化学腐蚀手段，打开芯片的封装结构，再辅以聚焦离子束等微区刻蚀技术，对其关键引出端口（例如电源、时钟信号，各种控制、地址与数据信号总线以及芯片内部预留的测试焊盘等）重新进行超声键合；（3）给密码电路芯片重新加载，必要时可以采用外部的时钟和

7、地址信号发生器，首先对密码芯片内部的各类不挥发存储器直接进行访问和扫描读出，获得其相关的存储信息；微电子学研究所微电子与纳电子学系（4）对于那些没有预留测试焊盘、无法进行超声键合的关键路径，则首先需要利用FIB或激光微区切割手段去除芯片局部区域的钝化保护层，然后采用微区精密定位装置操纵微探针来探测芯片内部的关键数据通道，从而截获芯片的相关加密信息；右图所示为利用激光微区切割技术去除局部钝化层后可进行微探针测试的八条金属数据总线。微电子学研究所微电子与纳电子学系（5）利用光学共焦显微镜或SEM，配合逐层化