為CPU芯片的硬件安全保駕護航

文／劉雷波

如何確保CPU芯片的硬件安全，是學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一直面臨但尚未解決的國際公認難題。清華大學硬件安全與密碼芯片實驗室團隊提出了基于高安全、高靈活可重構(gòu)芯片架構(gòu)的“CPU硬件安全動態(tài)監(jiān)測管控（DSC）技術(shù)”，可有效應(yīng)對CPU硬件漏洞威脅，首次實現(xiàn)了芯片內(nèi)第三方硅監(jiān)控的CPU硬件安全解決方案，大幅提升CPU芯片的硬件安全性。

CPU芯片是計算系統(tǒng)中的核心部件。CPU硬件安全的攻擊可能帶來災難性的后果，比如，去年被曝光的“熔斷”“幽靈”CPU硬件漏洞，主流高性能處理器幾乎無一幸免，現(xiàn)存億萬臺服務(wù)器、臺式機、手機存在信息泄露風險，引發(fā)了安全領(lǐng)域的一場大地震。

實際上，隨著計算機和半導體技術(shù)的發(fā)展，CPU芯片已經(jīng)成為高度復雜的芯片，其設(shè)計、制造、封裝及測試等過程涉及到全球化的產(chǎn)業(yè)分工，對所有環(huán)節(jié)實施有效監(jiān)管幾乎不可能。

要在組成CPU的數(shù)十億到上百億顆晶體管中發(fā)現(xiàn)僅由數(shù)十顆晶體管就可以組成的惡意硬件，也是不可能完成的任務(wù)。而人為疏忽或技術(shù)限制造成的硬件漏洞，更是難尋蹤跡，防不勝防。

傳統(tǒng)的通過檢查CPU芯片的設(shè)計源碼、網(wǎng)表、版圖、管芯來查找惡意硬件和硬件漏洞的方法，就如同大海撈針，完全不可行。除硬件漏洞以外，還包括后門，例如CPU內(nèi)嵌子系統(tǒng)PSP，可被遠程控制；前門，例如CPU微碼（uCode，即CPU硬件補?。┍粣阂饫煤?，可改變指令行為；其他一些可能存在的惡意硬件，例如硬件木馬等。

清華大學研發(fā)的這項新技術(shù)可通過動態(tài)、實時監(jiān)控CPU運行過程中的“合法行為”來發(fā)現(xiàn)“非法行為”，從根本上克服了傳統(tǒng)的CPU安全隱患、技術(shù)漏洞難以被監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)的困難。硬件木馬、硬件漏洞（如“熔斷”“幽靈”）、硬件后門，以及惡意利用硬件前門的行為，都能被該技術(shù)迅速發(fā)現(xiàn)并根據(jù)需要進行管控。

DSC技術(shù)充分利用了可重構(gòu)動態(tài)監(jiān)測管控芯片的特性，能夠在CPU運行過程中快速檢測出由于遭受惡意硬件攻擊或者由于硬件漏洞、前門、后門被非法利用而引起的CPU非預期行為。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)用戶需要對CPU芯片進行技術(shù)管控，例如，在檢查出非預期行為后，可隨即暫停CPU的工作，可報警并繼續(xù)收集攻擊數(shù)據(jù)然后再暫停CPU的工作，也可切斷惡意硬件攻擊的信號路徑等。

該技術(shù)將CPU從邏輯上分為兩部分：一部分是CPU運算引擎，另一部分是CPU監(jiān)測管控電路。其中，運算引擎用于完成通常的運算任務(wù)，而監(jiān)測控制電路則借助可重構(gòu)計算邏輯。在不影響運算引擎正常工作的情況下，通過對比CPU運行時硬件的實際行為與指令集給出的預期行為的差異，來實時判斷CPU是否產(chǎn)生了非預期的操作，進而判定其是否存在硬件安全威脅。

基于這一技術(shù)和相關(guān)芯片，設(shè)計完成了首款具備硬件安全管控能力的服務(wù)器CPU芯片。目前，有多家服務(wù)器企業(yè)已基于該技術(shù)完成了高性能商用服務(wù)器的研制，部分產(chǎn)品已上市銷售。