Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

Multi-Tenant Cloud FPGA: A Survey on Security

With the exponentially increasing demand for performance and scalability in cloud applications and systems, data center architectures evolved to integrate heterogeneous computing fabrics that leverage CPUs, GPUs, and FPGAs. FPGAs differ from traditional processing platforms such as CPUs and GPUs in that they are reconfigurable at run-time, providing increased and customized performance, flexibility, and acceleration. FPGAs can perform large-scale search optimization, acceleration, and signal processing tasks compared with power, latency, and processing speed. Many public cloud provider giants, including Amazon, Huawei, Microsoft, Alibaba, etc., have already started integrating FPGA-based cloud acceleration services. While FPGAs in cloud applications enable customized acceleration with low power consumption, it also incurs new security challenges that still need to be reviewed. Allowing cloud users to reconfigure the hardware design after deployment could open the backdoors for malicious attackers, potentially putting the cloud platform at risk. Considering security risks, public cloud providers still don't offer multi-tenant FPGA services. This paper analyzes the security concerns of multi-tenant cloud FPGAs, gives a thorough description of the security problems associated with them, and discusses upcoming future challenges in this field of study

Active Fences against Voltage-based Side Channels in Multi-Tenant FPGAs

Dynamic and partial reconfiguration together with hardware parallelism make FPGAs attractive as virtualized accelerators. However, recently it has been shown that multi-tenant FPGAs are vulnerable to remote side-channel attacks (SCA) from malicious users, allowing them to extract secret keys without a logical connection to the victim core. Typical mitigations against such attacks are hiding and masking schemes, to increase attackers’ efforts in terms of side-channel measurements. However, they require significant efforts and tailoring for a specific algorithm, hardware implementation and mapping. In this paper, we show a hiding countermeasure against voltage-based SCA that can be integrated into any implementation, without requiring modifications or tailoring to the protected module. We place a properly mapped Active Fence of ring oscillators between victim and attacker circuit, enabled as a feedback of an FPGA-based sensor, leading to reduced side-channel leakage. Our experimental results based on a Lattice ECP5 FPGA and an AES-128 module show that two orders of magnitude more traces are needed for a successful key recovery, while no modifications to the underlying cryptographic module are necessary

Remote Side-Channel Attacks on Heterogeneous SoC

International audienceThanks to their performance and flexibility, FPGAs are increasingly adopted for hardware acceleration on various platforms such as system on chip and cloud datacenters. Their use for commercial and industrial purposes raises concern about potential hardware security threats. By getting access to the FPGA fabric, an attacker could implement malicious logic to perform remote hardware attacks. Recently, several papers demonstrated that FPGA can be used to eavesdrop or disturb the activity of resources located within and outside the chip. In a complex SoC that contains a processor and a FPGA within the same die, we experimentally demonstrate that FPGA-based voltage sensors can eavesdrop computations running on the CPU and that advanced side-channel attacks can be conducted remotely to retrieve the secret key of a symmetric crypto-algorithm

TuRaN: True Random Number Generation Using Supply Voltage Underscaling in SRAMs

Prior works propose SRAM-based TRNGs that extract entropy from SRAM arrays. SRAM arrays are widely used in a majority of specialized or general-purpose chips that perform the computation to store data inside the chip. Thus, SRAM-based TRNGs present a low-cost alternative to dedicated hardware TRNGs. However, existing SRAM-based TRNGs suffer from 1) low TRNG throughput, 2) high energy consumption, 3) high TRNG latency, and 4) the inability to generate true random numbers continuously, which limits the application space of SRAM-based TRNGs. Our goal in this paper is to design an SRAM-based TRNG that overcomes these four key limitations and thus, extends the application space of SRAM-based TRNGs. To this end, we propose TuRaN, a new high-throughput, energy-efficient, and low-latency SRAM-based TRNG that can sustain continuous operation. TuRaN leverages the key observation that accessing SRAM cells results in random access failures when the supply voltage is reduced below the manufacturer-recommended supply voltage. TuRaN generates random numbers at high throughput by repeatedly accessing SRAM cells with reduced supply voltage and post-processing the resulting random faults using the SHA-256 hash function. To demonstrate the feasibility of TuRaN, we conduct SPICE simulations on different process nodes and analyze the potential of access failure for use as an entropy source. We verify and support our simulation results by conducting real-world experiments on two commercial off-the-shelf FPGA boards. We evaluate the quality of the random numbers generated by TuRaN using the widely-adopted NIST standard randomness tests and observe that TuRaN passes all tests. TuRaN generates true random numbers with (i) an average (maximum) throughput of 1.6Gbps (1.812Gbps), (ii) 0.11nJ/bit energy consumption, and (iii) 278.46us latency