嵌入式系统中硬件组合安全日益增强的必然性

随着嵌入式设备在工业中扩散,从智能家庭传感器和工业控制器到连接的医疗植入器和自主车辆,对手可以利用的攻击表面随着新部署的终点而扩大。 仅软件安全措施虽然是必要的,但不足以抵御复杂的物理攻击、关键提取尝试和固件的开发。 作为回应,设计者越来越多地转向一个基础硬件安全部分:安全元素芯片。 这个专用的、防篡改的微控制器为存储秘密和进行加密操作提供了物理隔离的环境,有效地为攻击者提高了防线。

理解安全元素芯片

安全元素是一个目的建造的硬件模块,将CPU、内存(RAM、ROM、EEPROM/Flash)和密码加速器合并在一个单一的包中,以抵御物理和逻辑攻击。与通用MCU不同,SE芯片被设计成一层硬件保护层——mesh盾牌、电压传感器、频率探测器和主动死亡涂层,这样任何探测或操纵芯片的尝试都会触发敏感数据的立即消除。 基本原则是安全隔离:关键资产永远不会离开硅,所有加密处理都发生在安全边界内。

共同形式因素

  • 嵌入SE:直接溶于设备PCB(如NXP SE050,Infineon SLx 9670). 提供最高的集成和物理安全水平.
  • 集成SE:嵌入在系统芯片(SoC)或应用程序处理器(如苹果安全飞地,Qualcomm Trusted Entertainment with incomplexed SE)内,常用于智能手机.
  • 可移动SE:包含安全元素的SIM卡和微SD卡. 常见于手机和支付终端.

安全元素芯片的关键惠益

将一个SE芯片整合到嵌入式设备中,可以提供软件甚至通用硬件安全模块(如TPM)可能无法完全解决的多种安全优势.

  • Tamper Resistance[:硬件对抗措施保护免受侧通道攻击(动力分析,电磁分析),断层注射,以及微探测.
  • 加密密钥存储 :私人密钥,证书,密码存储在主机处理器无法访问的专用内存中,即使程序处理器被泄露,秘密仍然安全.
  • 计算机卸载:为RSA,ECC,AES,SHA而建的加速器,有时还有量子后算法减轻主处理器的负担,加速安全操作.
  • 验证标准合规性[:领先SE芯片根据共同标准(最高为EAL6+),FIPS 140-3和全球平台认证。 这一认证为满足金融,汽车,医疗保健等行业的监管要求提供了坚实的基础.
  • Secure Boot & 远程测试[]:SE可以在设备靴子前验证固件的完整性,确保只运行经认证的代码,它也可以生成证明报告信号,以证明设备的身份给云服务.

嵌入式工程师的实施考虑因素

使用SE芯片的好处是显而易见的,但部署SE芯片需要精心的建筑规划。 使用离散的SE而不是综合解决方案的决定取决于成本、性能、形式因素和认证需求。

选择标准

  • 性能要求:每秒需要评估密码操作。对于高流量的IoT端节点,一个具有高效加速的专用SE至关重要。
  • 界面兼容性:常见的接口包括I2C,SPI,ISO 7816和SWP(单线协议). 确保主机MCU支持所选接口而无需添加耐久性.
  • Key寿命周期管理:计划如何提供钥匙——在制造(在建的个性化)或部署后(在SE安全通道上空中更新)期间提供钥匙。考虑使用与SE整合的密钥管理服务。
  • 认证级别:对于支付申请(如EMVCo),EAL5+或EAL6+认证SE是强制性的. 对于不太敏感的IOT,较低的认证可能就足够了.

硬件集成陷阱

物理定位 SE 芯片事项。 它应该远离暴露的痕迹, VCC 脱钩盖靠近针头。 避免高速数字线附近出现可对齐的信号。 安全元素芯片通常需要清洁稳定的供电; 建议单独安装一个LDO。 如果 SE 支持它, 通讯线( I2C 或 SPI) 最好在协议级别上保持短路加密( 如 SE050 的 A71CH 安全通道 ) 。

补充安全要素的安全议定书

单靠安全安保系统不能完全解决安全问题;它必须是层层安全架构的一部分。

  • 安全靴链 : SE持有信任根(ROT)证书。在启动时,主机处理器的初始启动器由SE验证。只有在成功签名检查后,下一阶段才会执行。
  • 被cripted Concession Channels[]:主机和SE之间交换的所有数据都应该使用通过相互认证建立的会话密钥加密,这可以防止中途人截取PCB追踪.
  • 软件更新完整性:使用SE来解密和验证OTA更新. SE的安全启动机制确保新固件在安装前是真实的.
  • Zero Trust at the Edge:通过SE生成的证明符,云端后端可以对每个设备进行唯一认证,使得在不默认信任任何设备的情况下,可以使用零信任模式.

跨行业使用案例

工业IOT & amp; 智能基础设施

在智能仪表和建筑自动化中,SE芯片防止能源被盗和未经授权的重组,它们存储设备身份和加密传感器数据后再传输到云中.

汽车(V2X和电报)

现代车辆需要ECU和外部基础设施之间的安全通信. SE芯片认证车辆对一切(V2X)系统中的信息,确保只执行可信赖的命令.

保健

可移植和可穿戴的医疗器械必须保护患者数据. SE芯片保护加密密钥并强制实施安全固件更新,降低致命网络攻击的风险.

支付和amp; 访问控制

无联系支付卡,NFC终端,智能锁都依靠SE芯片持有支付资格,并与读者进行加密握手.

安全元素技术的未来趋势

安全环境正在迅速演变,以应对新出现的威胁和业绩需求。

  • 后量子加密(PQC):随着量子计算机的临近,SE销售商开始将PQC算法(如CRYSTALS-Kyber,Dilithium)集成到他们的硅中. 期望在未来两年内能认证的PQC-C能力SE.
  • 生物量学集成[]:下一代SE芯片正在纳入生物量学传感器的支持,在保存安全存储模板的同时,能够进行芯片上的指纹或虹膜匹配.
  • Edge AI Security:随着AI模型运行在边缘设备上,SEs将被用于安全地主机和更新ML模型,防止模型被盗或对抗操纵.
  • GlobalPlatform标准化:GlobalPlatform继续定义IOT和数字密钥的SE规格. 保持与GlobalPlatform[的对齐,确保互操作性.
  • 与 SCP03 的远程管理:安全通道协议03(SCP03)允许基于云的密钥管理和SE上的小程序更新,没有物理访问,这对于大规模部署至关重要.

结论:用已证实的硬件来启动嵌入式安全

安全嵌入式设备的建造不再是可选的,而消费者要求强有力的保护,以防范越来越多的物理和远程威胁。安全元素芯片为存储秘密、进行加密和建立设备身份提供了经证明、认证和可扩展的基础。通过仔细选择右SE,将其与强大的硬件设计做法相结合,并在整个设备生命周期内将其与安全协议结合,工程师可以大幅降低妥协的风险。对于任何信任和数据完整性至上的项目,都应在BOM上安装一个安全元素芯片。工业机构,如 NIST 和工业互联网联合会,为将这种硬件来源纳入信任提供指导。随着威胁的发展,嵌入一个安全元素是系统设计师能够作出的最有影响力的决定之一。