Emerging Security Threats in Modern Digital Computing Systems: A Power Management Perspective

Design of computing systems — from pocket-sized smart phones to massive cloud based data-centers — have one common daunting challenge : minimizing the power consumption. In this effort, power management sector is undergoing a rapid and profound transformation to promote clean and energy proportional computing. At the hardware end of system design, there is proliferation of specialized, feature rich and complex power management hardware components. Similarly, in the software design layer complex power management suites are growing rapidly. Concurrent to this development, there has been an upsurge in the integration of third-party components to counter the pressures of shorter time-to-market. These trends collectively raise serious concerns about trust and security of power management solutions. In recent times, problems such as overheating, performance degradation and poor battery life, have dogged the mobile devices market, including the infamous recall of Samsung Note 7. Power outage in the data-center of a major airline left innumerable passengers stranded, with thousands of canceled flights costing over 100 million dollars. This research examines whether such events of unintentional reliability failure, can be replicated using targeted attacks by exploiting the security loopholes in the complex power management infrastructure of a computing system. At its core, this research answers an imminent research question: How can system designers ensure secure and reliable operation of third-party power management units? Specifically, this work investigates possible attack vectors, and novel non-invasive detection and defense mechanisms to safeguard system against malicious power attacks. By a joint exploration of the threat model and techniques to seamlessly detect and protect against power attacks, this project can have a lasting impact, by enabling the design of secure and cost-effective next generation hardware platforms

Ingress of threshold voltage-triggered hardware trojan in the modern FPGA fabric–detection methodology and mitigation

The ageing phenomenon of negative bias temperature instability (NBTI) continues to challenge the dynamic thermal management of modern FPGAs. Increased transistor density leads to thermal accumulation and propagates higher and non-uniform temperature variations across the FPGA. This aggravates the impact of NBTI on key PMOS transistor parameters such as threshold voltage and drain current. Where it ages the transistors, with a successive reduction in FPGA lifetime and reliability, it also challenges its security. The ingress of threshold voltage-triggered hardware Trojan, a stealthy and malicious electronic circuit, in the modern FPGA, is one such potential threat that could exploit NBTI and severely affect its performance. The development of an effective and efficient countermeasure against it is, therefore, highly critical. Accordingly, we present a comprehensive FPGA security scheme, comprising novel elements of hardware Trojan infection, detection, and mitigation, to protect FPGA applications against the hardware Trojan. Built around the threat model of a naval warship’s integrated self-protection system (ISPS), we propose a threshold voltage-triggered hardware Trojan that operates in a threshold voltage region of 0.45V to 0.998V, consuming ultra-low power (10.5nW), and remaining stealthy with an area overhead as low as 1.5% for a 28 nm technology node. The hardware Trojan detection sub-scheme provides a unique lightweight threshold voltage-aware sensor with a detection sensitivity of 0.251mV/nA. With fixed and dynamic ring oscillator-based sensor segments, the precise measurement of frequency and delay variations in response to shifts in the threshold voltage of a PMOS transistor is also proposed. Finally, the FPGA security scheme is reinforced with an online transistor dynamic scaling (OTDS) to mitigate the impact of hardware Trojan through run-time tolerant circuitry capable of identifying critical gates with worst-case drain current degradation

Case Study: Securing MMU-less Linux Using CHERI

MMU-less Linux variant lacks security because it does not have protection or isolation mechanisms. It also does not use MPUs as they do not fit with its software model because of the design drawbacks of MPUs (\ie coarse-grained protection with fixed number of protected regions). We secure the existing MMU-less Linux version of the RISC-V port using CHERI. CHERI is a hardware-software capability-based system that extends the ISA, toolchain, programming languages, operating systems, and applications in order to provide complete pointer and memory safety. We believe that CHERI could provide significant security guarantees for high-end dynamic MMU-less embedded systems at lower costs, compared to MMUs and MPUs, by: 1) building the entire software stack in pure-capability CHERI C mode which provides complete spatial memory safety at the kernel and user-level, 2) isolating user programs as separate ELFs, each with its own CHERI-based capability table; this provides spatial memory safety similar to what the MMU offers (\ie user programs cannot access each other's memory), 3) isolating user programs from the kernel as the kernel has its own capability table from the users and vice versa, and 4) compartmentalising kernel modules using CompartOS' linkage-based compartmentalisation. This offers a new security front that is not possible using the current MMU-based Linux, where vulnerable/malicious kernel modules (\eg device drivers) executing in the kernel space would not compromise or take down the entire system. These are the four main contributions of this paper, presenting novel CHERI-based mechanisms to secure MMU-less embedded Linux

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen

Rethinking Watermark: Providing Proof of IP Ownership in Modern SoCs

Intellectual property (IP) cores are essential to creating modern system-on-chips (SoCs). Protecting the IPs deployed in modern SoCs has become more difficult as the IP houses have been established across the globe over the past three decades. The threat posed by IP piracy and overuse has been a topic of research for the past decade or so and has led to creation of a field called watermarking. IP watermarking aims of detecting unauthorized IP usage by embedding excess, nonfunctional circuitry into the SoC. Unfortunately, prior work has been built upon assumptions that cannot be met within the modern SoC design and verification processes. In this paper, we first provide an extensive overview of the current state-of-the-art IP watermarking. Then, we challenge these dated assumptions and propose a new path for future effective IP watermarking approaches suitable for today\u27s complex SoCs in which IPs are deeply embedded

Complex VLSI Feature Comparison for Commercial Microelectronics Verification

Shortcomings in IC verification make for glaring vulnerabilities in the form of hardware backdoors, or extraneous operation modes that allow unauthorized, undetected access. The DARPA TRUST program addressed the need for verification of untrusted circuits using industry-standard and custom software. The process developed under TRUST and implemented at the AFRL Mixed Signal Design Center has not been tested using real-world circuits outside of the designated TRUST test cases. This research demonstrates the potential of applying software designed for TRUST test articles on microchips from questionable sources. A specific process is developed for both transistor-level library cell verification and gate-level circuit verification. The relative effectiveness and scalability of the process are assessed

Design for prognostics and security in field programmable gate arrays (FPGAs).

There is an evolutionary progression of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) toward more complex and high power density architectures such as Systems-on- Chip (SoC) and Adaptive Compute Acceleration Platforms (ACAP). Primarily, this is attributable to the continual transistor miniaturisation and more innovative and efficient IC manufacturing processes. Concurrently, degradation mechanism of Bias Temperature Instability (BTI) has become more pronounced with respect to its ageing impact. It could weaken the reliability of VLSI devices, FPGAs in particular due to their run-time reconfigurability. At the same time, vulnerability of FPGAs to device-level attacks in the increasing cyber and hardware threat environment is also quadrupling as the susceptible reliability realm opens door for the rogue elements to intervene. Insertion of highly stealthy and malicious circuitry, called hardware Trojans, in FPGAs is one of such malicious interventions. On the one hand where such attacks/interventions adversely affect the security ambit of these devices, they also undermine their reliability substantially. Hitherto, the security and reliability are treated as two separate entities impacting the FPGA health. This has resulted in fragmented solutions that do not reflect the true state of the FPGA operational and functional readiness, thereby making them even more prone to hardware attacks. The recent episodes of Spectre and Meltdown vulnerabilities are some of the key examples. This research addresses these concerns by adopting an integrated approach and investigating the FPGA security and reliability as two inter-dependent entities with an additional dimension of health estimation/ prognostics. The design and implementation of a small footprint frequency and threshold voltage-shift detection sensor, a novel hardware Trojan, and an online transistor dynamic scaling circuitry present a viable FPGA security scheme that helps build a strong microarchitectural level defence against unscrupulous hardware attacks. Augmented with an efficient Kernel-based learning technique for FPGA health estimation/prognostics, the optimal integrated solution proves to be more dependable and trustworthy than the prevalent disjointed approach.Samie, Mohammad (Associate)PhD in Transport System