Гигабайты власти - Киви Берд

Следующим этапом, если процессор совершенно новый и неизвестный, становится создание карты его схем. Сейчас для этого обычно применяют оптический микроскоп и цифровую камеру, с помощью которых делают большую, размером несколько метров, мозаику из высокого разрешения снимков поверхности чипа. У большинства чипов имеется защитный поверхностный слой (пассивация) из оксида или нитрата кремния, который предохраняет их от излучений оборудования и диффузии ионов. Азотная кислота на него не действует, поэтому для его удаления специалисты используют сложный метод сухого травления. Но это не единственная возможность для доступа к поверхности. Другим методом, особенно когда схема в целом известна, является использование игл-микропробников, которые с помощью ультразвуковой вибрации удаляют защитный слой непосредственно под точкой контакта. Кроме того, для локального удаления защитного слоя применяются лазерные резаки-микроскопы, используемые в лабораториях клеточной биологии.

Описанная техника вскрытия успешно применяется любителями-кракерами. Далее же вкратце будут описаны некоторые технологии, доступные хорошо оснащенным лабораториям, занимающимся изучением полупроводников. В мире сейчас насчитываются сотни таких лабораторий – в университетах и промышленных исследовательских центрах, к примеру. Имеется достоверная информация, что наиболее продвинутые кракеры арендуют эту технику и тщательно изучают новейшие промышленные технологии обратной инженерной разработки (подробнее об этом в следующем разделе «Возня в подполье, война на небесах»).

Микрозондирование чипа, извлеченного из смарт-карты

В начале 1990-х годов в Кавендишской лаборатории Кембриджа создана технология обратного восстановления схемы сложных кремниевых чипов, позволяющая аккуратно снимать слои микросхемы один за другим. Одно из примененных там новшеств – техника показа примесных N и Р слоев на основе эффекта Шоттки: тонкая пленка из золота или палладия накладывается на чип, образуя диод, который может быть виден в электронном луче. Изображения последовательных слоев чипа вводятся в компьютер, специальное программное обеспечение очищает первоначально нечеткие образы, выдает их ясное представление и распознает стандартные элементы чипа. Данная система была протестирована на процессоре Intel 80386 и ряде других устройств. Работа над восстановлением 80386 заняла две недели, причем для правильной реконструкции обычно требуется около шести образцов чипа. Результатом работ могут быть диаграммы масок и схем или даже список библиотечных ячеек, из которых чип был сконструирован.

В условиях, когда конструкция и принципы функционирования чипа уже известны, существует очень мощная технология, разработанная в ШМ для исследования чипа в работе даже без удаления защитного слоя. Для измерения рабочих характеристик устройства над ним помещают кристалл ниобата лития. Показатель преломления этой субстанции изменяется при изменении электрического поля, и потенциал находящегося под ней кремния может считываться с помощью ультрафиолетового лазерного луча, проходящего через кристалл под скользящим углом наклона. Возможности этой технологии таковы, что можно считывать сигнал в 5 В и с частотой до 25 МГц. По сути дела, это стандартный путь для хорошо оснащенных лабораторий при восстановлении криптоключей в чипах, конструкция которых известна.

Исследование техники разрезания чипа ведет к более общей (и сравнительно меньше изученной) проблеме – атакам, которые включают в себя активную модификацию исследуемого чипа, а не просто пассивное его исследование. К примеру, есть все основания полагать, что некоторые успешные атаки пиратов на систему платного ТВ проводились с использованием рабочих станций с фокусированием ионного пучка (Focused Ion Beam workstation – FIB). Такой аппарат может вырезать траки в металлизированном слое чипа и формировать новые траки или изолирующие слои. Кроме того, FIB может имплантировать ионы для изменения толщины слоя кремния и даже строить сквозные переходы к проводящим структурам в нижележащих слоях чипа. Такие аппараты стоят несколько миллионов долларов, но, как показывает практика, не слишком богатые злоумышленники арендуют дорогое оборудование на некоторое время у крупных полупроводниковых компаний.

Снимок электронным микроскопом, демонстрирующий результаты обработки чипа сфокусированным ионным пучком (FIB)

Обеспеченные таким инструментарием атаки на смарт-карты становятся более простыми и мощными. Типичная атака заключается в отсоединении почти всех процессов ЦПУ от шины, кроме памяти EEPROM и той компоненты ЦПУ, что генерирует доступ по чтению. Например, программный счетчик может быть оставлен подсоединенным таким образом, что области памяти становятся по порядку доступны на считывание по мере подачи тактовых импульсов.

Как только это сделано, атакующему требуется лишь одна игла микропробника для считывания всего содержимого EEPROM. В результате процесс анализа становится более легким, чем при пассивном исследовании, когда обычно анализируется только трасса выполнения. Также это помогает избежать чисто механических трудностей одновременной работы с несколькими иглами-микропробниками на линиях шины, ширина которых составляет лишь несколько микрон.

Program Counter load

load low high

Microcode Control Unit

1

земля

X X

шина данных (8 bit)

адресная шина (16 bit)

игла микропробника

сигнал синхронизации

EEPROM

X-удалeнное соединение, *-созданное новое соединение

Модифицированная атака на криптопроцессор с помощью рабочей станции FIB, позволяющая легко осуществить доступ к засекреченному содержимому EEPROM, используя единственную иглу-микропробник

Индуцирование сбоев (глич-атаки)

В принципе, создателям вычислительной техники давно известно, что к инженерно-защищенным устройствам типа смарт-карт, которые обычно малы и компактны, с целью вызова вычислительной ошибки можно применить некоторые уровни радиационного облучения или нагревания, подачу неправильного напряжения питания или нестандартную тактовую частоту. Известно также и то, что при возникновении сбоя в вычислениях компьютерное устройство может выдать информацию, полезную для восстановления секретных данных. Однако, насколько серьезна эта угроза в действительности, долгое время мало кто подозревал.

В конце сентября 1996 г. коллектив авторов из Bellcore, научно-исследовательского центра американской компании Bell, сообщил о том, что обнаружена серьезная потенциальная слабость общего характера в защищенных криптографических устройствах, в частности, в смарт-картах для электронных платежей. Авторы – Бонэ, ДеМилло и Липтон – назвали свой метод вскрытия «криптоанализом при сбоях оборудования», суть же его в том, что искусственно вызывая ошибку в работе электронной схемы с помощью ионизации или микроволнового облучения, а затем сравнивая сбойные значения на выходе устройства с заведомо правильными значениями, теоретически можно восстанавливать криптографическую информацию, хранящуюся в смарт-карте [BD97].