值得一提的是，使用外置閃存還具有一些其他優(yōu)勢，首先是它能夠更加輕松地適應(yīng)不斷增加的代碼長度。嵌入式系統(tǒng)常用的標(biāo)準(zhǔn)閃存容量規(guī)格可以支持1Gbit甚至更大的存儲空間，遠(yuǎn)高于eFlash。外置閃存還可以容納更多的CPU內(nèi)核/負(fù)載，以應(yīng)對機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等復(fù)雜技術(shù)所需的更密集、更實(shí)時(shí)的處理。這些變化有助于簡化設(shè)計(jì)工作并加快產(chǎn)品上市，從而提供不同的型號以便更好地滿足價(jià)格、性能或其他標(biāo)準(zhǔn)方面的需求。

 

III.利用外置閃存設(shè)計(jì)安全的嵌入式系統(tǒng)

 

無論是使用eFlash還是外置閃存，設(shè)計(jì)安全的嵌入式系統(tǒng)都是一項(xiàng)越來越繁重的工作。本章重點(diǎn)介紹一些重要的注意事項(xiàng)，以幫助指導(dǎo)設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

 

通常，針對端到端安全而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須具備三大要素：

 

保護(hù)機(jī)制，用于保護(hù)代碼和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性，防止各種方式的刪除、更改或破壞  

檢測機(jī)制，用于揭示代碼和/或關(guān)鍵數(shù)據(jù)何時(shí)被以某些未經(jīng)授權(quán)的方式更改

恢復(fù)機(jī)制，用于恢復(fù)被以某些未經(jīng)授權(quán)的方式更改的代碼和/或關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性 

工程師設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)能夠應(yīng)對STRIDE模型已驗(yàn)證的所有威脅。下表概述了此模型，它提供了一種實(shí)用的方法，以了解各種潛在的威脅以及如何使用各種安全措施來應(yīng)對各種威脅。

 

 

安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要建立基于信任根的可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）。在使用所有組件和子系統(tǒng)之前，TEE提供了驗(yàn)證真實(shí)性和完整性的方法。創(chuàng)建這種安全設(shè)計(jì)的部分最佳方法如下：

 

●  實(shí)施硬件信任根以創(chuàng)建安全基礎(chǔ)

●  通過驗(yàn)證和加密鞏固這一基礎(chǔ)

●  保護(hù)所有連接、網(wǎng)絡(luò)和云組件的端到端價(jià)值鏈

●  提供防御旁路攻擊和故障注入技術(shù)的能力

●  對系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的漏洞和風(fēng)險(xiǎn)評估

●  持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控異常情況

●  實(shí)施應(yīng)對流程（例如：安全更新）

 

圖2顯示在系統(tǒng)中實(shí)施信任根時(shí)如何權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)和成本?？梢灶A(yù)料，基于軟件的設(shè)計(jì)成本最低，而安全性也最低。圖2沒有顯示不安全嵌入式系統(tǒng)的間接成本，而這些非常實(shí)際的成本可以輕松地證明，基于硬件的設(shè)計(jì)可以將安全性最大化。

 

 

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院計(jì)算機(jī)安全資源中心解釋了在硬件中實(shí)施信任根的優(yōu)勢：“信任根是執(zhí)行特定關(guān)鍵安全功能的高度可靠的硬件、固件和軟件組件。因?yàn)樾湃胃烊豢尚?，所以必須通過設(shè)計(jì)來確保它們的安全。為此，許多信任根都在硬件中實(shí)施，這樣惡意軟件便無法篡改其提供的功能。”

 

技術(shù)的進(jìn)步不斷推動IC成本下降，集成新一代IC的系統(tǒng)成本也隨之降低。外置閃存也是這種情況，安全“智能閃存”的出現(xiàn)，減少了在硬件中實(shí)施信任根并納入其他必要功能所需的工作。

 

IV.安全閃存：新一代智能存儲

 

半導(dǎo)體廠商想方設(shè)法尋求小尺寸的嵌入式閃存，但是還沒有可行的解決方案出現(xiàn)。小尺寸RRAM和MRAM技術(shù)已作為eFlash的替代品得到了廣泛研究，但由于數(shù)據(jù)完整性和成本方面的挑戰(zhàn)，它們目前都還不可行，尤其是不適合要求高溫高可靠性的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用。截至本文撰寫之時(shí)，尚不能確定這些技術(shù)或其他相關(guān)技術(shù)何時(shí)（或是否）能夠交付批量生產(chǎn)的嵌入式存儲。

 

尺寸縮小導(dǎo)致變化不可避免，因此產(chǎn)生了對新型安全信道的需求。在這種信道中，信息交換發(fā)生在MCU內(nèi)部的HSM和外置存儲設(shè)備的加密安全區(qū)之間。一種前景不錯(cuò)的解決方案是舍棄目前的做法，不將各種類型的存儲集成于處理器，而將處理器集成于存儲IC，是為智能存儲。圖3顯示了安全閃存如何與主機(jī)MCU建立經(jīng)過驗(yàn)證和加密的安全處理環(huán)境。

 

 

新一代智能存儲的這種發(fā)展趨勢有可能為電子行業(yè)帶來革命性的變化。就嵌入式系統(tǒng)而言，技術(shù)發(fā)展將集中體現(xiàn)在NOR閃存上。NOR閃存是一種理想的非易失性存儲，存儲代碼具有持久性，并具備快速隨機(jī)讀取性能。

 

安全NOR閃存，或更簡單的安全閃存，可為安全密鑰、證書、哈希密碼、特定應(yīng)用數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、代碼版本信息和生物識別傳感器數(shù)據(jù)提供硬件保護(hù)的安全存儲，以便用于驗(yàn)證。安全閃存還支持經(jīng)過驗(yàn)證和加密的交易，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和其他安全威脅。

 

相比之下，當(dāng)前基于狀態(tài)機(jī)的存儲架構(gòu)則無法提供與嵌入式處理器相同的多功能性和性能。例如，強(qiáng)大的安全需要強(qiáng)大的加密，進(jìn)而需要強(qiáng)大的處理能力。嵌入式處理器還支持其他安全要求，包括HMAC密鑰生成和存儲以及防回滾計(jì)數(shù)器，并可保護(hù)固件、啟動鏡像和系統(tǒng)參數(shù)免受攻擊。

 

在存儲中嵌入處理能力有助于集成邏輯，以添加特定功能和/或減輕系統(tǒng)主SOC/MCU的工作量。例如，嵌入式處理可以實(shí)現(xiàn)硬件信任根的創(chuàng)建，從而防止對存儲的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、操縱和其他安全攻擊?；蛘?，處理器也可以對原始數(shù)據(jù)運(yùn)行各種算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法，然后存儲系統(tǒng)其他功能所需的結(jié)果。

 

此外，針對可以通過智能存儲的嵌入式處理器運(yùn)行代碼而全部或部分認(rèn)證的安全法規(guī)，新系統(tǒng)能夠更加輕松地獲得認(rèn)證。這樣，通過簡化所需的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，我們可以極大地加快新產(chǎn)品的上市速度。

 

圖4顯示了內(nèi)置了智能化安全的閃存如何滿足嵌入式系統(tǒng)所需的性能、可靠性、安全性和功能安全。通過使用包括x4 SPI（QSPI）和x8 HyperBus在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，智能安全閃存可以與主控芯片配合，以達(dá)到要求嚴(yán)苛的互聯(lián)應(yīng)用所需的安全級別，同時(shí)仍然完全兼容現(xiàn)有的主控芯片存儲控制器。

 

 

對于不允許發(fā)生故障的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，安全閃存可以確保系統(tǒng)的安全啟動，記錄關(guān)鍵的信息，并擴(kuò)展重要功能的工作存儲。此類“故障保護(hù)”應(yīng)用的示例包括：高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），便攜式醫(yī)療設(shè)備，工廠自動化，國防級傳感器，以及高級無線通信系統(tǒng)。

 

無故障的一個(gè)重要方面，是對存儲的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以防遭到更改或破壞。通過集成加密引擎和嵌入式處理器，數(shù)據(jù)能夠以安全的方式進(jìn)行存儲?？紤]到存儲所增加的邏輯門數(shù)遠(yuǎn)小于CPU和專用計(jì)算引擎所需要增加的邏輯門數(shù)，因此在智能安全閃存中以相對較低的增量成本實(shí)施加密和其他高級功能更為可行。

 

安全閃存創(chuàng)建的硬件信任根，可提供一個(gè)安全環(huán)境或與安全MCU提供的TEE集成。信任根有一個(gè)至關(guān)重要的作用，就是確保系統(tǒng)正常啟動，理想情況下應(yīng)基于可信計(jì)算工作組的設(shè)備標(biāo)識符組合引擎（DICE）標(biāo)準(zhǔn)。安全啟動流程對閃存和主SOC/MCU進(jìn)行相互驗(yàn)證，以確保穿越總線的所有交易的機(jī)密性，從而實(shí)現(xiàn)端到端的保護(hù)。而且因?yàn)殚W存是智能的，所以經(jīng)過驗(yàn)證的啟動過程可以在某些應(yīng)用領(lǐng)域需求的不到100毫秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

 

能夠?qū)⒋a安全地更新至最新版本，是安全啟動流程的另一個(gè)重要方面。這就要求確保FOTA或其他形式的更新在沒有任何篡改或損壞的情況下完成，無論是有意還是意外的損壞。如果通過版本認(rèn)證或其他方式檢測到任何篡改，那么可以利用備份功能還原以前已知有效版本（雖已降級）的代碼。同樣的功能也可用于保護(hù)非安全生產(chǎn)設(shè)施或服務(wù)中心可能存在的任何設(shè)備配置。

 

嵌入式智能使得安全閃存除了保護(hù)存儲的代碼和數(shù)據(jù)之外，還可以處理其他任務(wù)。例如，支持XIP功能使得作為可信環(huán)境的安全閃存可以直接執(zhí)行代碼，從而減輕主機(jī)MCU的負(fù)載。這樣也可以減少M(fèi)CU所需的片上RAM的數(shù)量，從而有助于降低成本和功耗。

 

在最嚴(yán)苛的安全性和功能安全需求推動下，汽車和工業(yè)自動化市場率先采用安全存儲。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的潛在漏洞可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程攻擊，并最終威脅到乘客或工作人員的安全，所以，如果不能確保強(qiáng)大的安全性，就無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全。因此，安全關(guān)鍵型應(yīng)用的所有半導(dǎo)體組件（包括外置閃存設(shè)備）都必須符合ISO26262高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61508工業(yè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 

 

持續(xù)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀況，執(zhí)行遠(yuǎn)程診斷和預(yù)防性維護(hù)，也都非常重要。閃存設(shè)備容易出現(xiàn)幾種故障模式，包括由于電荷損耗或宇宙輻射引起的閃存單元故障、時(shí)延、功率損耗故障等，這些故障都必須即時(shí)加以解決，以確保在20年以上的使用壽命中提供較高的可靠性。

 

V.結(jié)論

 

智能安全閃存作為eFlash的替代產(chǎn)品已經(jīng)逐步得到了人們的接受，隨著它的工藝尺寸縮小到28nm以下，eFlash的使用必將變得日漸稀少，直至完全消失。芯片可以集成eFlash、但集成HSM功能的安全閃存方案更具有優(yōu)勢。在這兩種設(shè)計(jì)中，安全閃存都可以通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，以加密安全的方式，在受保護(hù)區(qū)域和主機(jī)MCU的HSM之間傳輸代碼和數(shù)據(jù)。

 

可以預(yù)期，采用安全閃存的設(shè)計(jì)將變得越來越普遍，對于滿足不斷發(fā)展的安全需求來說甚至必不可少。如今，攻擊行為正在變得日漸廣泛和復(fù)雜，各項(xiàng)法規(guī)預(yù)計(jì)將會越來越嚴(yán)格，自動化程度的提高也將進(jìn)一步提升安全性和功能安全的重要性。為了滿足這些不斷發(fā)展的需求，同時(shí)最大程度地加快新功能的上市速度，設(shè)計(jì)工程師將越來越依賴僅智能安全閃存可以提供的便捷性。

 

關(guān)于作者

 

Sandeep Krishnegowda是賽普拉斯半導(dǎo)體公司閃存業(yè)務(wù)部的產(chǎn)品總監(jiān)。他在賽普拉斯的存儲器產(chǎn)品部門工作了十多年，擔(dān)任過各種工程、管理和營銷職務(wù)。他擁有倫斯勒理工學(xué)院的電子和通信碩士學(xué)位，以及韋斯科技大學(xué)的電子和通信學(xué)士學(xué)位。