無(wú)需漏洞也能攻破：云計(jì)算FPGA的重大安全隱患

當(dāng)前，FPGA 已經(jīng)成為云數(shù)據(jù)中心里重要的硬件加速單元。例如，在之前的文章中詳細(xì)介紹過(guò)微軟的“Catapult”項(xiàng)目。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，微軟在 Azure 云數(shù)據(jù)中心里部署了上百萬(wàn)個(gè)基于 FPGA 的智能網(wǎng)卡，并使用 FPGA 對(duì)一系列應(yīng)用進(jìn)行了硬件加速。這其中包括必應(yīng)搜索（Bing）的文件排名運(yùn)算，以及通過(guò) FPGA 構(gòu)建的實(shí)時(shí) AI 系統(tǒng)“Brainwave”。

亞馬遜 AWS 則采用了名為 FPGA 即服務(wù)（FaaS）的業(yè)務(wù)模式，也就是將 FPGA 作為了 AWS 云的硬件加速實(shí)例，面向云服務(wù)的廣大用戶和開(kāi)發(fā)者。這種業(yè)務(wù)模式提供了 FPGA 云服務(wù)的完整基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，包括 FPGA 的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、部署、維護(hù)等等，使得開(kāi)發(fā)者可以直接利用云中的 FPGA 資源進(jìn)行算法的硬件加速和開(kāi)發(fā)。騰訊云、阿里云、華為云等公有云提供商也紛紛跟進(jìn)，也在云服務(wù)中加入了 FPGA 的硬件加速實(shí)例。

然而，隨著 FPGA 在云數(shù)據(jù)中心的不斷部署，由此引發(fā)的安全性隱患也逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)之一。和 CPU、GPU、網(wǎng)絡(luò)交換芯片等數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的硬件單元不同，F(xiàn)PGA 帶來(lái)的潛在安全性問(wèn)題有著非常獨(dú)特的一面。

一方面，F(xiàn)PGA 芯片本身可能存在高危漏洞。在之前的文章中，我們介紹過(guò)賽靈思的 7 系列 FPGA 被曝出名為“StarBleed”的漏洞，它使得攻擊者能同時(shí)攻破 FPGA 配置文件的加密和鑒權(quán)兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，并由此隨意更改 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。這個(gè)漏洞的嚴(yán)重之處在于，一旦 FPGA 芯片被攻破，就無(wú)法通過(guò)軟件補(bǔ)丁的方式進(jìn)行修復(fù)，而只能停機(jī)換芯片。

另一方面，由于 FPGA 的特殊性，即使芯片沒(méi)有任何功能漏洞，攻擊者也可以使用一些很巧妙的手段進(jìn)行破壞性的操作，并破解并竊取加密信息。今天這篇文章，就將介紹這其中的一個(gè)攻擊方法。

FPGA 虛擬化與多租戶 FPGA

在 FPGA 的云計(jì)算應(yīng)用中，虛擬化技術(shù)是目前比較常見(jiàn)的 FPGA 管理和資源調(diào)度方式。關(guān)于 FPGA 虛擬化技術(shù)，有興趣的讀者可以看看老石之前的文章《FPGA 虛擬化：突破次元壁的技術(shù)》，里面詳細(xì)介紹了 FPGA 虛擬化的很多技術(shù)細(xì)節(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，虛擬化技術(shù)在傳統(tǒng)的 FPGA 開(kāi)發(fā)層級(jí)中加入了額外的一層，從而將用戶的應(yīng)用邏輯與底層硬件分離開(kāi)，使開(kāi)發(fā)者無(wú)需太關(guān)心硬件的實(shí)現(xiàn)方式，這能大幅降低 FPGA 的開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。

通過(guò) FPGA 虛擬化技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)在單個(gè) FPGA 上劃分出多個(gè)邏輯區(qū)域，并分配給不同的用戶進(jìn)行使用，這就是 FPGA 的多租戶（Multi-tenent）技術(shù)。

在多租戶 FPGA 中，理論上不同用戶的區(qū)域是相互獨(dú)立的，這可以通過(guò)劃分不同的 FPGA 設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。不同的用戶并不會(huì)共享 FPGA 上的邏輯資源，此外，他們的 FPGA 配置文件、上層軟件等都應(yīng)該是加密和獨(dú)立的。這些都由虛擬層進(jìn)行調(diào)度和管理，在技術(shù)上，這可以通過(guò) FPGA 的部分可重構(gòu)（Partial Reconfiguration）特性實(shí)現(xiàn)。

例如，下圖中就展示了兩種不同的多租戶 FPGA 實(shí)現(xiàn)方法，第一種使用了兩個(gè)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)區(qū)域，第二種則實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶設(shè)計(jì) A、B、C、D 在 FPGA 上的混合排列。

事實(shí)上，不同用戶的設(shè)計(jì)區(qū)域很難做到完全獨(dú)立。比如，在同一個(gè) FPGA 芯片上，供電、時(shí)鐘等全局資源往往需要共享。僅僅如此，就會(huì)給多租戶 FPGA 設(shè)計(jì)帶來(lái)安全隱患。

針對(duì) FPGA 的電壓攻擊

在今年的 FCCM 大會(huì)上，來(lái)自馬薩諸塞大學(xué)的 Russell Tessier 教授做了名為“Security and Privacy Concerns for the FPGA-Accelerated Cloud and Datacenters”的報(bào)告，并介紹了一種針對(duì) FPGA 的電壓攻擊方法。

這篇論文的全文和大會(huì)報(bào)告，已上傳至知識(shí)星球“老石談芯 - 進(jìn)階版”，請(qǐng)于文末掃碼進(jìn)入星球查看。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，攻擊者可以在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)一些消耗大量功耗的電路，由此會(huì)引發(fā)芯片上電壓的下降。由于使用同一個(gè) FPGA 的用戶共享芯片上的供電網(wǎng)絡(luò)，這種電壓下降會(huì)波及到 FPGA 上其他用戶的設(shè)計(jì)區(qū)域。值得注意的是，這種利用電壓進(jìn)行攻擊的方式會(huì)無(wú)視多租戶之間相互獨(dú)立的邏輯區(qū)域。

一旦電壓下降過(guò)大，就會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。其中最主要的問(wèn)題，就是會(huì)造成電路延時(shí)的增加。這樣一來(lái)，原本時(shí)序收斂的設(shè)計(jì)就不能滿足時(shí)序，從而造成各種錯(cuò)誤的功能和計(jì)算結(jié)果。

例如，對(duì)于常見(jiàn)的加法運(yùn)算來(lái)說(shuō)，它的關(guān)鍵路徑取決于最長(zhǎng)進(jìn)位傳播（carry propagation）的時(shí)間。正因此，F(xiàn)PGA 中內(nèi)置了固化的進(jìn)位鏈結(jié)構(gòu)，以提高進(jìn)位傳播的速度。然而，一旦電路延時(shí)增加，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘沿到來(lái)時(shí)，加法的進(jìn)位尚未完成傳播，由此導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)重大誤差。

下圖就是一個(gè)行波進(jìn)位加法器（Ripple Carry Adder）的例子，它計(jì)算四位二進(jìn)制加法 1111 + 0001 時(shí)，應(yīng)該得到二進(jìn)制數(shù) 10000（十進(jìn)制 16），但由于電壓降低導(dǎo)致延時(shí)增加，使得進(jìn)位未能傳播到最高位，最終得到的結(jié)果是 00000。

耗電單元（Power Waster）

可以看到，這種電壓攻擊的關(guān)鍵，就是在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)某種可以消耗大量功耗的電路。數(shù)字電路的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)是，動(dòng)態(tài)功耗和所謂的開(kāi)關(guān)速率（switch activity）呈線性相關(guān)，也就是下面這個(gè)公式中的 f。因此只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能高速進(jìn)行狀態(tài)切換的電路，就能消耗大量功耗。

基于此，這種耗電模塊事實(shí)上非常簡(jiǎn)單，可以直接用一階環(huán)形振蕩器實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)下圖。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)例化 28000 個(gè)這樣的環(huán)形振蕩器時(shí)，每個(gè)振蕩器可以消耗 2.2mW 的功耗，并由此帶來(lái)芯片上電壓的迅速下降。在下圖中可以看到，50 微秒之內(nèi)，離這些耗電單元最近區(qū)域的電壓（黑線）就由 1.1V 下降到 0.85V 左右。如果離耗電單元稍遠(yuǎn)，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的電壓下降，甚至在芯片的邊緣部分也會(huì)受到波及。

使用這種電壓攻擊的方法，除了可以對(duì)其他用戶的電路功能造成破壞之外，還可以用來(lái)竊取其他用戶的加密信息。例如，Tessier 教授就展示了如何破解并獲取 RSA 算法的私鑰。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有一種名為中國(guó)剩余定理（CRT，也稱為孫子定理）的算法，在實(shí)現(xiàn) RSA 計(jì)算時(shí)可以得到 4 倍的性能提升。然而，如果在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)電壓攻擊的方法引入錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，就會(huì)簡(jiǎn)單的反推出 RSA 的私鑰，并且這個(gè)過(guò)程與 RSA 密鑰長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，且只需要一次迭代就可以完成。這個(gè)過(guò)程的具體細(xì)節(jié)在本文不再贅述，有興趣的讀者可以在知識(shí)星球“老石談芯進(jìn)階版”或微博與我互動(dòng)討論。

《孫子算經(jīng)》中的物不知數(shù)問(wèn)題

FPGA 電壓攻擊的防治策略

如前文所述，這種基于大量耗電單元、并導(dǎo)致芯片電壓下降和電路延時(shí)增加的攻擊方式，會(huì)對(duì)使用 FPGA 的全部用戶都造成影響，而且不受設(shè)計(jì)區(qū)域劃分的限制。與之前介紹過(guò)的 StarBleed 漏洞不同，這種攻擊方法并不利用 FPGA 芯片本身的設(shè)計(jì)缺陷，而是利用了 FPGA 的特點(diǎn)，大量例化耗電單元并實(shí)施攻擊。因此這種方法理論上適用于任何 FPGA。

為了應(yīng)對(duì)這樣的新型攻擊方式，一種防御方法就是在芯片上布置若干電壓檢測(cè)模塊，并實(shí)時(shí)監(jiān)控不同區(qū)域的電壓值。如果一旦出現(xiàn)電壓攻擊，這些檢測(cè)模塊就可以鎖定導(dǎo)致電壓下降的源頭，并配合管理軟件對(duì)這個(gè)用戶區(qū)域進(jìn)行封鎖。

在下圖中，使用了 12000 個(gè)耗電模塊，以及不同數(shù)量的電壓檢測(cè)單元，出現(xiàn)異常的電壓檢測(cè)單元以黑點(diǎn)表示?？梢钥吹?，當(dāng)使用 40 個(gè)電壓檢測(cè)單元時(shí)（最右圖），就可以把攻擊源頭鎖定在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域中。

此外，電壓下降帶來(lái)的延時(shí)增加并非都是壞事。這涉及到一個(gè)重要的思維方式的轉(zhuǎn)變。近年來(lái)，一個(gè)比較流行的研究領(lǐng)域叫做“近似計(jì)算”，即 Approximate Computing。它的主要觀點(diǎn)是，在很多特定的應(yīng)用場(chǎng)景中，并不需要做到 100%的精確計(jì)算，而這會(huì)帶來(lái)可觀的性能提升與功耗降低。

例如，有人專門(mén)對(duì) FPGA 中數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行過(guò)近似計(jì)算的研究。事實(shí)上，對(duì)于上文提到的 4 位行波進(jìn)位加法器，它的最長(zhǎng)進(jìn)位鏈出現(xiàn)的概率只有 3.1%。也就是說(shuō)，在某種程度的電壓攻擊時(shí)，有 96.9%的概率不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。

關(guān)于近似計(jì)算的內(nèi)容，本文也不再展開(kāi)。上面提到的這個(gè) FPGA 近似計(jì)算的研究，老石會(huì)上傳到知識(shí)星球，歡迎文末掃碼進(jìn)入星球查看并參與討論。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，F(xiàn)PGA 在云計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用正在蓬勃興起。使用 FPGA 虛擬化技術(shù)，讓多個(gè)用戶共同使用同一個(gè) FPGA 的硬件加速資源，也成為了一種常見(jiàn)的 FPGA 業(yè)務(wù)模型。然而，這種業(yè)務(wù)模式也帶來(lái)了一些前所未有的安全性問(wèn)題。本文介紹的利用耗電單元進(jìn)行 FPGA 電壓攻擊的方法，就是這其中的一個(gè)。

事實(shí)上，從 FPGA 出現(xiàn)至今，在大部分情況下它都是作為單一用戶的器件而存在的。也就是說(shuō)，正是 FPGA 使用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，才會(huì)出現(xiàn)這些人們從未考慮過(guò)的問(wèn)題，并由此引發(fā)對(duì) FPGA 技術(shù)本身更多、更新的思考。而這也將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)不斷向前邁進(jìn)。

（注：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與任職單位無(wú)關(guān)。）