DE102019201096A1 - Integrierter Schaltkreis und eingebettetes System mit einem solchen integrierten Schaltkreis - Google Patents

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Abstract

Integrierter Schaltkreis (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- der Schaltkreis (10) umfasst eine elektronische Sicherung (11) zum Unterstützen eines sicheren Urladevorganges (23), bei welchem die Sicherung (11) abgefragt (22) wird,- der Schaltkreis (10) weist einen Schutz vor elektromagnetischer Fehlerinjektion auf und- der Schaltkreis (10) ist derart konfiguriert, dass der Schutz sich auf den Urladevorgang (23) erstreckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein eingebettetes System mit einem solchen Schaltkreis.
  • Stand der Technik
  • Im Kontext der Datenverarbeitung bezeichnet der Begriff „eFuse“, „E-Fuse“ oder kurz „Fuse“ eine in ihrer Urform von IBM entwickelte elektronische Sicherung, welche die dynamische Echtzeitprogrammierung von Computerchips ermöglicht. US4962294A offenbart eine Umsetzung dieses Ansatzes als einmalig programmierbares, nichtflüchtiges Speicherelement.
  • US 2006/0136858 A1 zeigt ein Verfahren zur Insitu-Änderung von Systemparametern einer integrierten Schaltung. Die integrierte Schaltung weist als Halbleiterelemente ausgebildete E-Fuses auf, die mit Metal-Verbindungen im Chip bei der Chipherstellung auf dem Silizium darstellbar sind, wobei Betriebsart oder Zugriffsmöglichkeiten der Schaltung auf Basis der in den E-Fuses gespeicherten Informationen codiert ist. Über ein integriertes Interface oder über einen integrierten E-Fuse-Kontrollbaustein werden die E-Fuses zur Codierung selektiv zerstört.
  • Im Rahmen der nachfolgenden Ausführungen ist der Begriff „elektronische Sicherung“ stets in einem weiten Sinne auszulegen, der jedweden nichtflüchtigen Speicher wie Flash oder PCM ausdrücklich einschließt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt einen integrierten Schaltkreis, insbesondere einen FPGA oder Mikrocontroller, sowie ein eingebettetes System, beispielsweise ein Ein-Chip-System (system on a chip, SoC), mit einem solchen Schaltkreis gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz fußt hierbei auf der Erkenntnis, dass der Schutz eines IT-Systems vor Manipulation oder Rückentwicklung (reverse engineering) seiner Firmware sehr wichtig ist. Bei eingebetteten Systemen kann ein Angreifer Zugriff auf die integrierten Schaltungen innerhalb des jeweiligen Systems erlangen, sodass die Sicherheit innerhalb dieser Schaltungen gewährleistet werden muss. Ein abgesichertes Urladen (secure bootstrap, secure boot) durch Überprüfung der Authentizität der Firmware vor dem Ausführen, Firmware-Verschlüsselung oder Schutz der Debugger-Schnittstelle stellen Beispiele für Sicherheitsmaßnahmen dar, die in integrierten Schaltungen implementiert werden. Diese Sicherheitsmechanismen müssen gegen physische Angriffe wie Laserangriff, Injektionsangriff durch elektromagnetische Fehler (electromagnetical fault injection, EM-FI) sowie Seitenkanalangriffe geschützt werden.
  • Der vorgeschlagenen Lösung liegt ferner die Einsicht zugrunde, dass Sicherheitsinformationen, wie sie beispielsweise das Aktivieren des sicheren Systemstarts betreffen, offensichtlich in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden müssen. Zu diesem Zweck werden in der Regel die bereits erwähnten elektronischen Sicherungen genutzt. Diese können hierbei typischerweise gesetzt (auf 1), aber nicht zurückgesetzt (auf 0) werden. In derartigen Sicherungen werden häufig sicherheitsrelevante Informationen betreffend die Absicherung des Urladens, Deaktivieren der Debugger-Schnittstelle oder Root-Schlüssel für die Firmware-Verschlüsselung gespeichert. Das Auslesen der Sicherungen ist jedoch mitunter kompliziert und langsam, sodass die Sicherungen zu Beginn des Startvorgangs in einen als Hardwarecache dienenden flüchtigen Speicher - beispielsweise Prozessorregister - geladen werden. Da Sicherungen wichtige Informationen für den Startvorgang selbst enthalten, werden sie zu Beginn des Prozesses mit einem hardwaremäßig umgesetzten endlichen Automaten geladen (1). Zu diesem Zeitpunkt wird keine Software ausgeführt. Man beachte, dass auch Flash-Speicher oder batteriegepufferter Direktzugriffsspeicher (battery-buffered random access memory, BBRAM) zum Speichern dieser Sicherheitsinformationen verwendet werden mag.
  • Ein erfindungsgemäßer Schaltkreis trägt ferner bereits bekannten Gegenmaßnahmen gegen eine Fehlerinjektion, insbesondere eine elektromagnetische Fehlerinjektion, Rechnung. Hierzu zählen die räumlich oder zeitlich redundante Implementierung kritischer Operationen, beispielsweise im Wege dreifacher modularer Redundanz (triple modular redundancy, TMR), oder ein zufällig veränderliches Laufzeitverhalten (jitter) kritischer Operationen derart, dass ein Angreifer den richtigen Zeitpunkt für den Fehlerangriff nicht festlegen kann.
  • Sinnvoll ist ferner die Implementierung eines Magnetfelddetektors: Das für einen Angriff verwendete Magnetfeld ist relativ stark und kann mit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden. Wenn ein Angriff entdeckt wird, wechselt ein entsprechend ausgerüstetes Gerät in einen sicheren Sperrmodus. Ein solcher Detektor wird beispielhaft in folgender Publikation beschrieben: J. Breier, S. Bhasin, und W. He. An electromagnetic fault injection sensor using hogge phase-detector. In 18th International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED), Seiten 307-312, März 2017.
  • Der nachfolgend beschriebene Ansatz erkennt, dass diese Maßnahmen in vielen integrierten Schaltkreisen umgesetzt werden, jedoch in der Regel nicht das Zwischenspeichern (fachsprachlich: „Cachen“) der Sicherungen erfassen. Diese Schwachstelle gestattet es einem Angreifer, die betreffende Maßnahme zu überwinden.
  • Ein Vorzug der erfindungsgemäßen Lösung liegt somit in der verbesserten Abwehr von EM-FI-Angriffen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, eine Ausführungsform der Erfindung derart auszugestalten, dass das Abfragen der elektronischen Sicherung ein zufällig veränderliches Laufzeitverhalten aufweist. Diese Variante vermag einen etwaigen Angriff zusätzlich zu erschweren.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 den Urladevorgang eines Geräts.
    • 2 beispielhaft eine redundante Umsetzung des Lesevorgangs einer Sicherung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Erfindungsgemäß kann ein Magnetfeld- oder EM-FI-Detektor in einer integrierten Schaltung implementiert und vor dem Zwischenspeichern der Sicherung (Bezugszeichen 22, 1) aktiviert werden. Eine redundante Implementierung dieses Sicherungs-Cache-Prozesses (22) ist ebenfalls denkbar, wie 2 verdeutlicht. Da die Magnetfeldinjektion zu einem Ausfall aufgrund gemeinsamer Ursache (common cause failure, CCF) führen kann - in Betracht kommen etwa Taktstörungen -, empfiehlt sich eine in zeitlicher und räumlicher Hinsicht redundante Implementierung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4962294 A [0002]
    • US 2006/0136858 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Integrierter Schaltkreis (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Schaltkreis (10) umfasst eine elektronische Sicherung (11) zum Unterstützen eines sicheren Urladevorganges (23), bei welchem die Sicherung (11) abgefragt (22) wird, - der Schaltkreis (10) weist einen Schutz vor elektromagnetischer Fehlerinjektion auf und - der Schaltkreis (10) ist derart konfiguriert, dass der Schutz sich auf den Urladevorgang (23) erstreckt.
  2. Integrierter Schaltkreis (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Schaltkreis (10) umfasst Hardwarecaches (12, 13, 14) und - der Schaltkreis (10) ist dazu eingerichtet, beim Abfragen (22) der Sicherung (11) Abfrageergebnisse in den Hardwarecaches (12, 13, 14) zu speichern.
  3. Integrierter Schaltkreis (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Hardwarecaches (12, 13, 14) sind Prozessorregister (12, 13, 14) oder RAM-Caches.
  4. Integrierter Schaltkreis (10) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Hardwarecaches (12, 13, 14) sind redundant ausgelegt und - der Schaltkreis (10) ist dazu eingerichtet, die Abfrageergebnisse mehrfach hintereinander in die Hardwarecaches (12, 13, 14) einzulesen.
  5. Integrierter Schaltkreis (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Schaltkreis (10) umfasst einen Komparator (15) zum Anstellen eines Vergleiches zwischen den Prozessorregistern (12, 13, 14) und - der Schaltkreis (10) ist dazu eingerichtet, einen Alarm (16) zu signalisieren, falls der Vergleich fehlschlägt.
  6. Integrierter Schaltkreis (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Prozessorregister (12, 13, 14) sind dreifach redundant ausgelegt und - die Prozessorregister (12, 13, 14) sind räumlich zueinander versetzt.
  7. Integrierter Schaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Schaltkreis (10) umfasst einen Magnetfelddetektor oder elektromagnetischen Fehlerinjektionsdetektor und - der Schaltkreis (10) ist dazu eingerichtet, den Magnetfelddetektor vor dem Urladevorgang (23) zu aktivieren.
  8. Integrierter Schaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Schaltkreis (10) ist derart eingerichtet, dass nach einem Einschalten (21) des Schaltkreises (10) zunächst die Sicherung (11) abgefragt (22), dann der Urladevorgang (23) fortgesetzt und schließlich eine Firmware (24) ausgeführt wird.
  9. Integrierter Schaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Schaltkreis (10) ist derart eingerichtet, dass das Abfragen (22) der Sicherung (11) ein zufällig veränderliches Laufzeitverhalten aufweist.
  10. Eingebettetes System mit einem Schaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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