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保衛計算機架構的新黃金時代

  2020年04月01日  

  RISC-V社區正在轉向一個全新的安全創新平臺,以期憑借出色的簡便性最大程度地減少攻擊面,同時讓設計者能夠自行評估開源架構的安全性。RISC-V平臺及其安全協議棧可助力開發人員打造全新的解決方案,從而在如今互連設備激增猶如“蠻荒西部”一般的環境中抵御像Meltdown(熔毀)和Spectre(幽靈)這類難以規避的漏洞。

  在2018年6月舉辦的第45屆計算機架構國際研討會上,計算機先驅David Patterson和John Hennessy在他們的圖靈講座中介紹了“計算機架構的新黃金時代”。他們描述的黃金時代包含以下四個要素:

  · 域特定的軟硬件協同設計

  · 開放指令集

  · 敏捷的芯片設計

  · 增強型安全性

  RISC-V(讀作“risk-5”)采用極具吸引力的開源指令集架構,可推動域特定的架構實現快速發展并提高該領域的投入,同時,它也成為了處理器安全性的重心。

  這里介紹一些背景信息,自2014年12月起,Microchip的現場可編程門陣列(FPGA)業務部門一直致力于推廣RISC-V。我們對RISC-V及其潛在能力的關注涉及多個層面,包括自由創新、掌控旗下處理器產品的未來發展以及降低成本。 這些層面屬于內在因素,能夠幫助我們凸顯差異化,從而在市場競爭中脫穎而出。對我們而言,RISC-V還意味著一個全面把握處理器安全性的代際機遇。全面把握處理器安全性是一個協作性的外在層面,能夠讓全球頂級安全專家有機會開展合作,攜手攻克大家共同面臨的計算機安全問題。

  我們在全面把握FPGA安全性的過程中能夠獲得豐富的經驗,這有助于我們深入了解計算中存在的硬件安全威脅,同時應對業界在尋求這些威脅的解決方案過程中所面臨的挑戰。我們早在2008年就開始深入研究FPGA安全性,然后在2012年推出首款采用集成處理器子系統的FPGA并開始實現盈利。當時,為了讓客戶能夠構建安全應用,我們需要創建一種從基礎安全硬件開始的分層方法。這樣,我們便可構建一個可實現設計安全或IP保護的層,隨后客戶可以依托該層建立應用層。在這一過程中,我們發現了邊信道攻擊的問題,例如可以輕松提取密鑰的差分功耗分析(DPA)。我們因此成為了惟一部署由CRI(已被Rambus收購)提供的DPA對策的FPGA供應商。

  之后,我們將在FPGA安全性方面的經驗應用到了處理器安全狀態上。結果發現,在幾十年前處理器安全性尚未引起市場關注之時,處理器的基礎硬件層就已經建立。當時的指令集架構(ISA)通過對脆弱的系統進行不完善的修補來應對安全計算不斷增長的需求。我們當然也敏銳地意識到邊信道的問題,尤其是微架構邊信道問題,因為通過這些邊信道,可以利用編程人員已屏蔽的處理器實現功能來泄漏信息。隨著Spectre和Meltdown漏洞的公布,整個計算行業開始意識到微架構邊信道問題帶來的威脅,因此亟需重建計算機架構的硬件基礎。

  正如我所指出的那樣,我們立即發現了RISC-V作為重建計算硬件基礎平臺的潛力,而發現者并非只有我們。在最早的一場RISC-V專題研討會上,LowRISC和Shakti處理器項目組發表了以安全性為主要內容的演講,自此之后,安全性一直是RISC-V的重要主題。這兩個示例重點說明了RISC-V支持的協作范圍。Shakti處理器項目由印度政府提供資助,對一些國家/地區而言,這是使用RISC-V贏得某種技術獨立的一次良機,而LowRISC則由快速發展的開源硬件運動提供支持。RISC-V行業的活動在不斷增加,安全相關的內容也隨之快速增長,在2018年12月的首屆RISC-V峰會中,55場會議中有13場涉及到安全性。

  2018年RISC-V峰會13場安全會議的其中一個會議室

  除了成為整個安全性會議的焦點之外,還有很多跡象表明,RISC-V ISA正在成為處理器安全性的重心。

  · DARPA正不斷投資于RISC-V和安全性,并選擇RISC-V作為其硬件集成系統安全(SSITH)計劃的評估平臺。

  · 在RISC-V基金會,有超過30個成員擁有安全RISC-V產品,或者在為安全工作組做貢獻。

  · 基金會有兩個技術工作組(加密和可信執行環境)正致力于創建RISC-V ISA擴展。

  · RISC-V基金會設立了安全性常務委員會,負責確認和協調多個方面的安全相關活動,包括將RISC-V作為理想的安全工具進行推廣,以及就物聯網(IoT)和嵌入式設備的最佳安全實踐達成共識。

  有30多個RISC-V基金會的成員擁有安全產品,或者參與了由基金會推動的安全活動。(由RISC-V基金會提供)

  基金會安全常務委員會最顯著的貢獻是演講人計劃。基金會內部和外部的演講人每月一次受邀就安全相關的各種主題發表演講。來自Data61的一位演講人Gernot Heiser提供了一個框架,此框架有可能指出RISC-V計算機安全性范例的呈現方式。Gernot和他在Data61的同事在早些時候對微架構邊信道進行了深入研究,并于2016年撰寫了一篇論文(A Survey of Microarchitectural Timing Attacks and Countermeasures on Contemporary Hardware)來描述基于攻擊的分類法。

  他們提出了一種稱為“擴充”指令集架構(aISA)的抽象概念,可將軟硬件之間的協議擴展到傳統ISA以外,作為對比,傳統ISA有意將時間和微架構的所有概念抽象化。相比之下,aISA加入了一些機制,允許應用程序二進制接口(ABI)對處理器系統的微架構狀態施加更多控制。例如,這可能包含高速緩存刷新或分支預測邏輯運算,以提供針對高速緩存時序信道這類威脅的安全保障。

  在我們定義并實現aISA后,就有機會創建我提到的RISC-V安全協議棧,這種協議棧起源于正式指定的協議棧要素的已正式驗證實現中。該協議棧從硬件和基礎ISA開始,一直擴展到實現aISA的層。而其中最重要的是安全微內核,它現在可以通過aISA訪問微架構狀態,并且能夠實施抵御微架構邊信道攻擊的對策。

  安全未來——正式指定且經過正式驗證的RISC-V安全協議棧

  RISC-V革命已經開始,社區最初意識到的諸多未來可能已經變為現實,包括重建計算機安全的基礎。Microchip與RISC-V基金會的成員合作,致力于推動這項技術的發展,我們對此深感自豪,而在RISC-V產品領域的領導地位和未來前景同樣令我們驕傲。我們期待與社區深化合作創新,充分利用當前面臨的代際機遇。

  Ted Speers是Microchip的技術研究員,負責為低能耗、安全、可靠的FPGA和SoC FPGA定義發展路線圖。他于1987年加入Microsemi(已被Microchip收購),負責過程工程和產品工程,之后于2003年開始擔任現職。Ted是35項美國專利的共同發明人。在加入Microsemi之前,他就職于LSI Logic。他擁有康奈爾大學化學工程學士學位。自2016年成立以來,Ted一直是RISC-V基金會董事會的成員。

(作者:Microchip技術研究員、RISC-V基金會創始董事會成員Ted Speers)

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