2021 年連接的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量超過 460 億，預計到 2030 年將達到驚人的 1250 億。這將顯著改變半導體市場，因為每個物聯(lián)網(wǎng)設備都需要一個處理器內(nèi)核來有效處理大量數(shù)據(jù)和相關(guān)交易。為了充分利用這種市場潛力，RISC-V 架構(gòu)已成為 SoC 設計人員替代 x86 或 ARM 的新選擇，這要歸功于其開放的指令格式和低成本。

然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷擴大，對抗性攻擊的破壞性也在不斷擴大。連接應用程序的安全性現(xiàn)在是其設計的基本要素。連接的設備必須能夠相互驗證，確保安全的數(shù)據(jù)傳輸，并包括安全存儲。雖然RISC-V 的安全指南仍在制定中，但為 RISC-V 用戶提供有效的即插即用解決方案以加強 SoC 及其他產(chǎn)品的安全性至關(guān)重要。

需要什么樣的設計來保護物聯(lián)網(wǎng)應用？

在大多數(shù)情況下，需要考慮六個關(guān)鍵的 SoC 安全因素……

可信執(zhí)行環(huán)境 （TEE）：隔離需要更高安全級別的代碼、數(shù)據(jù)和內(nèi)存。

信任根：保護關(guān)鍵的安全參數(shù)；包括唯一 ID、證書、密鑰和安全存儲。

安全啟動：阻止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)和應用程序運行。

靜態(tài)數(shù)據(jù)安全性：以加密/模糊的形式存儲數(shù)據(jù)，具有可靠的訪問控制以防止泄漏。

傳輸中的數(shù)據(jù)安全性：在傳輸前利用密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，以防止被截取。

安全 OTA 更新：確保現(xiàn)場的固件或軟件更新以加密密文形式提供，并且不允許降級。

僅靠 CPU 無法達到這六個安全因素。芯片的設計需要一個密鑰存儲單元和一組密碼算法來幫助 CPU 執(zhí)行安全功能，包括身份驗證、加密、解密和完整性檢查，以實現(xiàn)這些功能。此外，安全操作（與非安全操作分開）需要一個隔離且可信的安全執(zhí)行環(huán)境。還應實施防篡改設計，以保護安全環(huán)境免受攻擊。

考慮到這些風險，經(jīng)驗豐富的設計人員通常會使用帶有硬件信任根和防篡改設計的安全協(xié)處理器，以支持 CPU 執(zhí)行應用程序和服務的所有必要安全功能。

彌補現(xiàn)有協(xié)處理器的不足

安全協(xié)處理器負責系統(tǒng)內(nèi)與安全相關(guān)的事務，并允許 CPU 安全地執(zhí)行其主要功能。實施后，硬件加速的安全協(xié)處理器將保護敏感信息并比 CPU 更有效地執(zhí)行安全功能，而不會影響其計算能力。這不僅簡化了系統(tǒng)設計，而且提高了整體性能。

在其架構(gòu)中，ARM 提供與其 CPU 集成的 CryptoCell-312 作為安全協(xié)處理器來處理安全操作。相比之下，RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)仍在成熟，還沒有適合安全協(xié)處理器的解決方案。RISC-V 用戶必須自行開發(fā)或采用合作伙伴的 IP 才能獲得上述安全功能。如果他們選擇內(nèi)部開發(fā)，可能會出現(xiàn)一些挑戰(zhàn)。他們有足夠能力的安全開發(fā)團隊嗎？它將如何影響上市時間？自主研發(fā)的安全功能能否獲得認證？當技術(shù)問題出現(xiàn)時，他們處理的能力如何？最后，成本是多少？所有這些挑戰(zhàn)都可以通過采用來自有能力的合作伙伴的集成 IP 來避免。

現(xiàn)有解決方案缺乏全面的硬件信任根，也沒有提供穩(wěn)固的安全邊界，因此容易受到攻擊。市場上的大多數(shù)安全協(xié)處理器可能涵蓋一到兩個關(guān)鍵功能，但不足。例如，一些協(xié)處理器不支持某些加密算法，容易受到攻擊，或者沒有通過第 3 方認證。有些沒有為密鑰提供安全存儲，導致協(xié)處理器從安全邊界之外檢索密鑰（想象將您的密鑰留在前門的保險庫）。即使包括安全密鑰存儲在內(nèi)的選項也存在不可避免的缺點，需要在生產(chǎn)過程中將密鑰一一注入芯片，這使得制造或操作成本高昂且難以操作。一些協(xié)處理器對所有產(chǎn)品都有相同的激活密鑰，

所有這些不足之處最終都可能成為物聯(lián)網(wǎng)設備中的漏洞，這將不可避免地成為黑客入侵網(wǎng)絡的目標。因此，即使是僅傳輸非敏感數(shù)據(jù)的微型物聯(lián)網(wǎng)設備，如果被黑客操縱也可能造成巨大傷害。類似的事件數(shù)不勝數(shù)，最近的一次是 2021 年 5 月，當時最大的輸油管道系統(tǒng) Colonial Pipeline 遭到攻擊。他們不僅關(guān)閉了整個管道，政府甚至還發(fā)布了區(qū)域緊急聲明。僅支付的贖金就損失了420萬美元。

PUFiot 支持 RISC-V 架構(gòu)的片上安全性

為了解決 RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)中缺乏完整的安全協(xié)處理器的問題，PUFsecurity 的集成 IP 解決方案之一 PUFiot，是終極答案。它受到多層設計的保護，利用了一整套完全集成的硬件安全 IP。與純粹基于軟件的設計不同，PUFiot 的安全邊界基于硬件的物理分離，因此建立了完善的可信執(zhí)行環(huán)境 （TEE）。圖 1 展示了 PUFiot 的設計架構(gòu)。PUFiot 的核心是模擬硬件信任根設計。硬件信任根包含 eMemory 的專利 NeoPUF，為每個芯片提供唯一的芯片指紋 （UID），并提供 Riscure 認證的防篡改安全 OTP 用于密鑰存儲，防止對關(guān)鍵安全參數(shù)的物理/電氣攻擊。硬件信任根還帶有一個真隨機數(shù)生成器 （TRNG），

圖1：PUFiot的設計架構(gòu)

PUFiot 支持一整套 NIST CAVP 認證和第 3 方認證的中國 OSCCA 硬件密碼算法。由于模塊化設計，PUFiot 加密算法的定制仍然很靈活。這意味著用戶的要求，例如在 SM4 和 AES 之間進行選擇，可以在一個簡單的過程中得到滿足。因此，PUFiot 可以滿足 RISC-V 當前和未來的安全要求。除了安全功能外，眾多的數(shù)字和模擬防篡改設計進一步加強了 PUFiot，使其成為可靠的安全協(xié)處理器。同樣，為了降低整個 SoC 系統(tǒng)設計的復雜性，PUFiot 支持用于寄存器訪問控制的標準 APB 控制接口和具有標準 AXI4 控制接口的 DMA，以快速訪問存儲在系統(tǒng)內(nèi)存中的大量數(shù)據(jù)。

連同 NIST 標準的密鑰包裝 （KWP） 和密鑰派生函數(shù) （KDF） 以保護密鑰的使用和導出，PUFiot 可以為 RISC-V 物理內(nèi)存保護 （PMP） 按需生成多個密鑰，以分別保護每個應用程序。此外，PUF 的特性非常適用于安全啟動和安全 OTA 更新，因為不同物聯(lián)網(wǎng)設備上的相同軟件每個都有其密鑰。因此，我們可以為即將進入市場的數(shù)十億新物聯(lián)網(wǎng)設備奠定堅實的安全基礎(chǔ)。圖 2 顯示了以 PUFiot 作為其安全協(xié)處理器的 RISC-V SoC 設計。

圖 2：包含 PUFiot 的 RISC-V SoC 設計

結(jié)論

為了保護 IoT 應用程序，PUFsecurity 利用芯片指紋技術(shù)來強化信任根，并開發(fā)了 PUFiot，這是一種具有廣泛安全邊界的安全協(xié)處理器，可以輕松集成到安全的 RISC-V 系統(tǒng)中。PUFiot 支持物聯(lián)網(wǎng)世界所需的零接觸部署。通過硬件加速的安全功能和訪問控制，PUFiot 還滿足云應用中的零信任安全要求。因此，PUFiot 作為一種安全解決方案非常適合配備 RISC-V 處理器的物聯(lián)網(wǎng)設備。

審核編輯：郭婷