相变存储器内存系统的安全保障方法研究

摘要

随着内存容量需求的不断增长，传统的DRAM器件面临着严峻的能耗和可扩展性挑战。相变存储器具有高密度、高可扩展性和低功耗的优点，极有希望成为构建未来大容量内存系统的存储器件。然而，相变存储器的有限耐久性和非易失特性使其在设备寿命和数据机密性方面也引入了新安全问题。一方面，相变存储器的有限耐久性特性使其在设备寿命方面存在新的安全威胁：恶意攻击者若持续写一小部分物理行，可以在短时间内使相变存储器失效。特别是随着制程工艺尺寸的降低，相变存储器暴露出了耐久性不均匀分布的特性，设备安全问题也更为严峻。另一方面，虽然相变存储器的非易失特性可以有效减少漏电功耗，但是也使得相变存储器面临新的数据机密性安全威胁。因此，对上述两类问题进行研究并提出高效的安全保障方法，对相变存储器的实际商业化应用至关重要。 对于耐久性受限引发的设备安全问题，提出了一种快速磨穿相变存储器设备的新型时序攻击方法RTA。为了抵御该攻击，进一步提出了一种基于Feistel网络的双层磨损均衡方案Security RBSG。RTA利用磨损均衡重映射操作的时间差异所泄露的关键信息，来推测出逻辑地址到物理地址的映射关系，快速磨穿一小部分物理行。理论分析和实验结果证明，RTA可以使现有最先进的磨损均衡方法失效，将相变存储器的寿命从几年降低到几天甚至几分钟内。Security RBSG通过利用Feistel网络作为外层的映射函数并动态变换密钥，可以提供可配置的安全保障，实现了安全性和硬件开销、性能开销的有效权衡。理论和实验证明，Security RBSG不但可以对抗传统的恶意攻击，而且可以有效抵御新型攻击RTA。 针对相变存储器在低制程工艺尺寸下最强行的耐久性是最弱行的几十倍这一观察，提出了一种快速磨穿最弱行进而导致整个设备失效的均匀地址攻击UAA。为了抵御此攻击，进一步提出了一种最大化最弱行耐久性的备用行替换方法Max-WE。UAA对内存空间中的每个内存行都执行相同次数的写操作，使最弱的行会过早地失效。理论分析和实验结果证明，UAA可以使现有的磨损延缓方法失效，将系统寿命降低到理想寿命的4.11%。Max-WE通过使用弱优先和强弱匹配的备用行分配方案，可以最大化最弱行可以承受的写次数，提升设备的寿命。此外，Max-WE使用区域和行级别混合的备用行映射方案可以进一步削减映射表的开销。实验结果证明，Max-WE相对于现有的备用行替换方案，显著提高了相变存储器内存系统的寿命并大大削减了映射表的开销。 针对计数器模式加密方法所面临的计数器开销与重加密开销的权衡问题，提出了一种磨损均衡感知的计数器模式加密方法RCR，降低加密对相变存储系统性能的影响。计数器模式加密方法以其高安全、高性能的优点被用于防止相变存储器的数据泄露。然而，其面临的最大问题之一是计数器开销与重加密开销的权衡问题，即当任一行计数器溢出时需要对整个内存空间进行重加密。RCR利用磨损均衡的重映射来周期性地重置行计数器，因此可以使用更小的行计数器来避免计数器溢出。RCR减少了计数器的存储开销并且可以避免计数器溢出的重加密开销，因此可以获得更高的计数器缓存命中率。实验表明，与现有的方法相比，RCR显著降低了加密对相变存储器内存系统性能造成的影响。为了进一步提高性能，本文把RCR扩展成多层计数器的RCR，通过引入少量的重加密开销来进一步削减计数器的存储开销，并提高了系统性能。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 相变存储器背景介绍

1.2 相变存储器的研究现状

1.3 本文的主要研究内容和组织结构

2 基于Feistel网络映射的双层磨损均衡方案

2.1 重映射时间分析

2.2 重映射时间探测攻击RTA

2.3 基于Feistel网络映射的双层磨损均衡方案Security RBSG

2.4 实验评估

2.5 本章小结

3 最大化最弱行耐久性的备用行替换方法

3.1 耐久性分布模型

3.2 均匀地址攻击UAA

3.3 最大化最弱行耐久性的备用行替换方法MAX-WE

3.4 实验评估

3.5 本章小结

4 磨损均衡感知的计数器模式加密方案

4.1 研究背景和研究动机

4.2 磨损均衡感知的计数器模式加密方法RCR

4.3 实验评估

4.4 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 主要成果

5.2 研究展望

致 谢

参考文献

1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录

2 攻读博士学位期间申请的发明专利和其他成果

3 攻读博士学位期间参与的科研项目