抗功耗分析攻击的安全RISC-V处理器研究

摘要

为了消除功耗分析攻击的威胁,同时保证处理器的低功耗和高性能,提出了一种安全RISC-V处理器的实现方法.此安全处理器支持两种工作模式:安全模式和普通模式,分别用来处理需要保护的敏感数据和可公开的非敏感数据.安全模式的实现方法是在寄存器传输层(RTL)应用面向域掩码(DOM)技术对处理器的所有数据通路进行保护,包括通用寄存器、算术逻辑单元和数据存储单元等,最终数据通路位宽由32位扩展到64位.同时,通过可配置架构设计,实现了普通工作模式,在此模式下处理器支持RV32IMC和RV64IMC指令集.为了降低总体资源消耗,普通模式下的数据通路均通过复用安全模式的部分资源实现.通过两种工作模式的切换,处理器既可以有效保护敏感数据,又可以降低系统总功耗.使用global foundry 40 nm标准工艺库对设计进行综合,结果改造后的安全处理器面积是原版的1.68倍.搭建处理器仿真与攻击平台,用于验证安全处理器执行指令时的正确性和安全性.分别在两种工作模式下执行相同的任务,结果显示安全模式的功耗是普通模式的6.45倍,证明了普通模式存在的优越性;在两种工作模式下分别采集两百万条功耗曲线进行差分功耗分析(DPA)攻击,结果在普通模式下敏感密钥被成功获取,而在安全模式下敏感密钥被有效保护;采用Welch’s t-test分别对两种工作模式的抗功耗分析攻击能力进行评估,结果显示在99.99%的置信度下,普通模式存在多处安全隐患,而安全模式全程不会泄露敏感信息.