研究人员拍摄了数千张微芯片的显微图像，被检查的芯片面积只有大约两平方毫米。（Credit: RUB, Marquard）

安全漏洞不仅存在于软件中，也直接存在于硬件中。攻击者可能故意将它们内置于其中，以便大规模攻击技术应用程序。德国波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universitaet-Bochum）和波鸿马克斯·普朗克安全与隐私研究所(MPI-SP)的研究人员正在探索检测这种所谓硬件木马的方法。他们将芯片的构造图与真实芯片的电子显微镜图像进行了比较，并用算法寻找差异。这就是他们如何在40个案例中的37个中发现偏差的。

由Steffen Becker博士领导的CASA Cluster of Excellence团队和由Endres Puschner领导的MPI-SP团队将于2023年5月22-25日于旧金山举行的IEEE安全和隐私研讨会上提交他们的研究结果。研究人员免费在线发布了芯片的所有图像、设计数据以及分析算法，以便其他研究小组可以使用这些数据进行进一步的研究。论文的预印本也作为IEEE安全和隐私研讨会的一部分发表。

制造工厂是硬件木马的入口

如今，电子芯片被集成到无数的物体中。它们通常是由没有自己生产设备的公司设计的。因此，建造计划被送到高度专业化的芯片工厂进行生产。

Steffen Becker解释说：“可以想象，在生产前不久，一些微小的变化可能被插入工厂的设计中，这超出了芯片的安全性。”在极端情况下，这种硬件木马可能允许攻击者按下按钮，使部分电信基础设施瘫痪。”

识别芯片和构造图之间的差异

Becker和Puschner的团队分析了28、40、65和90纳米四种现代技术尺寸生产的芯片。他们与Thorben Moos博士合作，博士在研究中设计了几个芯片，并制造了它们。研究人员既有设计文件，也有制造的芯片。他们显然无法在事后修改芯片并植入硬件木马。因此，他们采用了一个技巧：Thorben Moos没有操纵芯片，而是追溯性地改变了他的设计，以便在构造计划和芯片之间产生最小的偏差。然后，研究人员对设计核芯片进行了测试，看看能否在不知情的情况下发现这些变化。

第一步，波鸿鲁尔大学和MPI-SP团队必须使用复杂的化学和机械方法准备芯片，以便用扫描电子显微镜拍摄几千张最底层芯片的图像。这些层包含几十万个执行逻辑运算的所谓标准单元。

Endres Puschner说：“比较芯片图像和构造计划被证明是一个相当大的挑战，因为我们首先必须精确地叠加数据。”此外，芯片上的每一点杂质都可能阻挡图像的某些部分。“在最小的芯片上，只有28纳米大小，一点灰尘或一根头发就能遮住一整排标准单元，”IT安全专家说。

几乎所有的操纵都被检测到

研究人员使用图像处理方法仔细匹配标准单元（cell），并寻找芯片的构造图和显微图像之间的偏差。“结果给了我们谨慎乐观的理由，”Puschner说。

对于90、65和40纳米的芯片尺寸，该团队成功识别了所有修改。假阳性结果总数为500，即标准芯元被标记为已被修改，尽管它们实际上未被触及。

“对超过150万个标准单元进行检测，这是一个非常好的比率，”Puschner说。只是在最小的28纳米芯片上，研究人员没有检测到三个细微的变化。

通过洁净室和优化算法提高检测率

更好的质量记录可以在将来解决这个问题。Becker指出，“扫描电子显微镜确实存在，它是专门为拍摄芯片图像而设计的。”此外，将它们用于可以防止污染的洁净室，将会进一步提高检测率。

“希望其他小组使用我们的数据进行后续研究，”Steffen Becker概述了潜在的未来发展。“机器学习可能会将检测算法改进到这样一种程度，即它也可以检测到我们错过的最小芯片上的变化。”