極火? SoC FPGA在確鑿的RCHD-PF系統(tǒng)模塊中的應用

運營技術 （OT） 以及運輸和工業(yè)控制系統(tǒng) （ICS） 經常被迫在安全性和更新方面做出讓步，以便在不中斷的情況下提供關鍵功能。保持它們的安全、無錯誤和抗故障并非易事。幸運的是，由于Microchip在安全高效的片上系統(tǒng)（SoC）設計方面的進步，Concruusive Engineering開發(fā)了一種專用于該任務的小型器件 - Orchid系列RCHD-PF模塊系統(tǒng)，采用PolarFire? SoC FPGA。

對逆境的風險厭惡

21世紀的前幾十年對現(xiàn)代運營技術系統(tǒng)進行了前所未有的一系列考驗。我們已經看到了針對整個國家電網的定制惡意軟件，Bitlocker惡意軟件意外感染關鍵系統(tǒng)，智能汽車漏洞，飛機因設計問題而嚴重故障，最近的泛歐火車系統(tǒng)鎖定 - 這只是冰山一角。隨著OT系統(tǒng)變得越來越復雜，保證其持續(xù)運行和安全性變得越來越困難。但這可以使用先進的記錄和監(jiān)控設備進行修改，這些設備允許在系統(tǒng)運行期間對其進行連續(xù)測試，從而提供抗故障性和對不良事件前所未有的反應時間。

超越默認可靠性

作為一個行業(yè)，我們在很大程度上已經從專用的專有黑匣子解決方案過渡到適應單個任務的開源準系統(tǒng)。雖然這解決了許多與安全和維護相關的問題，但軟件和硬件系統(tǒng)的日益復雜，加上高昂的更新成本，帶來了不同類型的問題。使用外部日志記錄和管理引擎系統(tǒng)可以解決這些問題，提供快速調試和錯誤檢測。

背景和遺產

當今OT系統(tǒng)、運輸自動化以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）網絡的起源在過去匯聚到一個點上。1968年，通用汽車公司根據(jù)愛德華·克拉克（Edward R. Clark）的白皮書訂購了一種定制設備，以取代他們用于制造車輛變速器的繼電器系統(tǒng)。這就是第一個可編程邏輯控制器誕生的方式——在過去的幾十年里，這個系統(tǒng)取代了可靠但不靈活的機電繼電器邏輯。五年多后，站在巨人的肩膀上，我們正在用軟件可配置的工廠、數(shù)據(jù)驅動的即時制造和全自動運輸系統(tǒng)等理念來塑造人類的未來。進入工業(yè)4.0。

然而，我們的傳統(tǒng)及其所有好處也存在缺點。在運營技術和運輸這樣規(guī)避風險的領域前進并非易事。一個小小的失誤就可能凍結整個國家的通信基礎設施，或者延遲數(shù)十萬臺的生產，從而對供應鏈造成連鎖破壞。關鍵基礎設施的一次更新可能花費數(shù)百萬歐元（如果失敗則花費數(shù)億歐元），如果無法回滾，則損失數(shù)十億歐元。另一方面，過時的系統(tǒng)可能會在長時間的連續(xù)運行中積累問題和意外行為，并對系統(tǒng)的整體安全性產生極其負面的影響。找到正確的平衡通常很困難，如果不是不可能的話。

這造成了不可避免的且不斷增長的風險差距。一方面，系統(tǒng)過時的危險，維護成本很高，故障風險每天都在增加。另一方面，與使此類系統(tǒng)保持最新相關的風險和成本，包括測試、認證、現(xiàn)有代碼庫的遷移和不可預測的停機時間。在這種環(huán)境中，運營的風險和成本不斷累積，迫在眉睫的故障可能會以前所未有的規(guī)模造成致命的后果。我們解決這個問題的唯一方法是承認問題，適應并提供更智能的解決方案來縮小或減少風險差距。

通過硬件監(jiān)控器實現(xiàn)更智能的可靠性

在Concruusive Engineering，我們一直在思考這樣一個更智能的解決方案，一個能夠成為現(xiàn)有系統(tǒng)主管的設備，一個遠程終端單元或一個功能齊全的SCADA節(jié)點，能夠作為高能效的邊緣計算模塊執(zhí)行各種任務，具有低熱足跡。得益于Microchip的PolarFire SoC FPGA，它將實時和具有Linux功能的RISC-V處理器與PolarFire FPGA結構集成在一個超級安全、防篡改的封裝中，我們能夠將這個想法變?yōu)楝F(xiàn)實。

RCHD-PF SoM：

RCHD-PF-EVAL 評估板：

我們的工作成果是RCHD-PF，這是一個小型的模塊系統(tǒng)（SoM），設計時考慮了OT和運輸應用。其預期用途是調試具有機器計算機接口、調試日志收集、模擬數(shù)據(jù)處理、將系統(tǒng)事件與轉向系統(tǒng)的模擬輸出及其傳感器讀數(shù)相匹配的持續(xù)在線系統(tǒng)。但是，由于設備的處理能力，它也可以用作調試器，監(jiān)督系統(tǒng)，遠程終端單元，視覺處理單元或多用途節(jié)點，并且根據(jù)工作負載，它可以一次執(zhí)行其中的幾項任務。通過應用程序域分離可以實現(xiàn)此類操作的安全性。由于我們提供全棧嵌入式定制交鑰匙解決方案，因此該板可以與各種各樣的軟件一起交付，包括裸機、FreeBSD、基于 Linux 的操作系統(tǒng)、seL4、Zephyr、FreeRTOS 和其他操作系統(tǒng)，并經過必要的內核和驅動程序修改，使系統(tǒng)在其預期的應用中脫穎而出。此外，該開發(fā)板的安全性非常出色 - 它可以在對手直接訪問的環(huán)境中工作，防止代碼篡改或機密提取。這對于遺留系統(tǒng)尤其重要 - 在 RCHD-PF 上運行正確設計的測試可以檢測受監(jiān)督系統(tǒng)的不當行為，以檢測和防止執(zhí)行受損代碼的后果。為了提高其安全性，它可以完全與受監(jiān)督系統(tǒng)隔離，確保無法對SoM進行寫入訪問。此外，SoM 的可更換特性可以提供 OT 設備的就地升級和快速回滾，而不會超過允許的停機時間，通常以分鐘為單位，每月或每年。

所有這些都來自遵循最佳系統(tǒng)模塊設計實踐的設計。RCHD-PF是一個比信用卡小30%的模塊，伴隨著更大的RCHD-PF-EVAL評估模塊，將RCHD-PF的功能擴展到標準化連接器，并提供一些附加功能，如SFP+，使用RCHD-PF的通用通信協(xié)議實現(xiàn)。它可以插入提供 PCIe 插槽的現(xiàn)有系統(tǒng)，并通過通用的 4 針 Molex 型連接器在父設備外殼內部供電。我們可以根據(jù)客戶要求提供評估板的定制外形尺寸，也可以定制RCHD-PF本身。

RCHD-PF支持一系列利用FCVG484插座的Microchip片上系統(tǒng)，提供高達254K LUT的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）變體。FPGA 能夠實現(xiàn)機器視覺和高達 4K 雙視頻處理。板載RISC-V處理器的工作頻率為667 MHz，可提供約2030 CoreMark的性能，比最接近的同類非RISC-V解決方案的效率高出55%。該 SoC 具有 PolarFire 系列的典型防篡改功能，包括差分功率分析和物理不可克隆功能，這使得正確配置的 SoC 不受裝備精良的對手最復雜和最昂貴的篡改嘗試的影響。

審核編輯：郭婷