存储器接口，数据安全的关口

随着数智时代的到来，智能设备的普及度越来越高，用户受到网络攻击的风险和频率也在不断增加。然而，漏洞不只是存在于软件中，硬件中也一样存在。

实际上，随着系统变得越来越复杂，硬件可能会成为不法分子实施攻击的突破口。多芯片设计越来越受欢迎，攻击面也在不断扩大。

安全性现已成为半导体行业关注的焦点，保护片上系统（SoC）接口及相关数据的安全可以防止不法分子访问、删除或以其他方式操纵这类数据。无论是在高性能计算（HPC）、移动通信、物联网领域还是在汽车SoC中，在保护数据的同时还需要优化安全实现，以保持接口的性能，同时减少对延迟和面积的影响。

DDR等高带宽接口正在迅速增多，接口速度也一代比一代快。要想保护数据，就需要保护多个重要领域，其中一个关键部分是片外动态随机存取存储器（DRAM）。

过去十年里，先是学术研究人员提醒可能会出现Rowhammer攻击，接着谷歌的Project Zero又发现了另一个名为RAMbleed的漏洞，这两个漏洞都是DRAM特有的。DRAM漏洞可能会在现实场景中被利用，因此务必要防范Rowhammer、RAMbleed和冷启动等攻击，以免不法分子读取或损坏数据，或检索到对安全至关重要的加密密钥。随着信息传播速度越来越快，系统越来越复杂，风险也变得越来越高。因此，数据保护应当作为硬件设计的重要一环，宜未雨绸缪，切不可亡羊补牢。

本文将进一步介绍黑客如何通过DRAM设备破坏数据和窃取信息，以及在SoC中保护DDR接口安全时可以考虑的一些策略。

存储器攻击原理‍‍‍‍‍

• Rowhammer：采用Rowhammer策略的攻击者旨在修改或破坏数据。Rowhammer攻击会高速重复读取存储器行中的数据，导致相邻行内页表条目中的位发生反转（从1到0或从0到1）。谷歌Project Zero团队表示，攻击者可以通过这种方式，对整个物理存储器进行读写访问。随着尺寸不断缩小，DRAM芯片更易受到这类攻击，因为晶体管更密集地堆积在一起，导致在这种攻击过程中发生溢出的风险变得更高。
• RAMBleed：RAMBleed在数据跨系统传输时窃取数据。RAMBleed攻击与Rowhammer攻击原理相同，但会读取信息，而不是修改信息，因此对存储器中数据的机密性造成了威胁。通过RAMBleed攻击方式，攻击者可以从DRAM中提取信息。
• 冷启动攻击：在这种情况下，攻击者可以实际接触到系统。他们可以借此对特定系统进行硬重置，访问启动前的物理存储器数据来检索加密密钥，并造成严重破坏。

  通过设计保护存储器接口

纠错码（ECC）曾经是一种很受欢迎的保护缓解策略，但它只能提供有限的恢复能力。ECC并不能提升安全性，反而还会留下更多未被发现的漏洞，是一种不成熟的存储器完整性保护方法。开发者通常会在找到合适的加密算法之前，使用ECC作为权宜之计。

要保护存储器接口，最好是利用基于标准的加密技术，通过设计解决数据的保密性和完整性问题。例如，通过使用AES-XTS加密来实现数据保密性，可以防范Rowhammer攻击。奇偶校验/ECC只能发现1到2个位翻转问题，而加密可以覆盖所有位。经过加密后，写入存储器的数据看起来更像是随机数据，因此Rowhammer攻击几乎毫无用武之地。借助存储器加密并适当刷新的密钥，也可以防范RAMBleed和冷启动攻击。除了确保数据保密性外，开发者还可以使用哈希加密算法等策略来保证数据真实性，确保数据没有被不法分子修改，从而增强安全性。

从一开始就将安全性作为DDR接口设计的一部分同样存在挑战。其中一个挑战是安全性需要做到万无一失，因为只要有一个薄弱环节，就可能会危及整个系统及其中的数据。例如，务必要在SoC的可信/安全区域中生成和管理密钥，并通过专用通道分发给加密模块。另外，整体安全架构还需要考虑到密钥的回读保护和控制配置。

另一个挑战是，存储器加密是有代价的，包括会影响功耗、性能、面积（PPA）和延迟。开发者需要确保DDR接口设计既安全又符合标准，同时还要高度优化。

我们已经见证了完整性和数据加密（IDE）安全策略在PCI Express®（PCIe®）和Compute Express Link（CXL）接口中的迅速普及，现在DDR和LPDDR等存储器接口也将经历类似的发展轨迹。科技在不断发展变化，开发者设计出更智能的解决方案，罪犯分子也变得越来越狡猾。不管选择哪种安全策略，都应确保能够适应不断演变的威胁环境。

保障SoC中DDR接口安全的

几种策略

• 设计安全的基础架构，包括利用控制面板来实现身份验证和密钥管理，以及利用数据层来确保数据加密的完整性。
• 遵循相关标准。存储器利用各种基于标准的加密算法（比如各种密钥长度的AES-XTS）来确保数据保密性，如NIST SP800-38E中所述。

• 实施高度优化的解决方案，确保可以有效地进行扩展，以支持存储器接口的最新带宽要求。利用流水线架构，实现高效的调整计算、密钥刷新和低延迟。考虑采用各种优化选项，例如在一个循环周期运行多个AES轮次，并使用特定的AES S盒实现来尽可能优化面积或提高频率。

• 支持按区域加密/解密，为各种用例提供灵活性。

• 在安全的环境中生成和管理密钥。存储器加密解决方案需要控制面组件来进行身份验证和管理。通常，这可以通过使用具有信任根源的安全隔离区来解决。安全隔离区需要支持通过固件更新进行调整，以帮助确保密钥管理策略经得起未来的考验，包括算法的潜在变化。
  

在保护DRAM数据方面，一种解决方案是先使用密钥对数据进行加密，然后再发送到DDR控制器，但这种方法并不理想，因为加密模块必须管理大量操作，以确保数据包大小合适。例如，当应用程序向存储器中写入一个字节的数据时，加密模块需要读取相应存储器位置，并入新的字节，最后再写回存储器中。加密模块与存储器相距越远，要管理的东西就越多。这不仅影响性能预算（对于提高存储器带宽来说代价太高），还必须注意性能下降问题，因为要在SoC上传输数据。

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