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高云：2021年安全硬件系统开发白皮书（14页）.pdf

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1、安全硬件系统开发白皮书白皮书 WP100-1.1,2021-12-06 版权所有版权所有 2021 广东高云广东高云半导体科技股份有限公司半导体科技股份有限公司、Gowin、GOWIN以及高云均为广东高云半导体科技股份有限公司注册商标, 本手册中提到的其他任何商标，其所有权利属其拥有者所有。未经本公司书面许可，任何单位和个人都不得擅自摘抄、复制、翻译本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。免责声明免责声明本文档并未授予任何知识产权的许可，并未以明示或暗示，或以禁止发言或其它方式授予任何知识产权许可。除高云半导体在其产品的销售条款和条件中声明的责任之外，高云半导体概不承担任何法律

2、或非法律责任。高云半导体对高云半导体产品的销售和或使用不作任何明示或暗示的担保，包括对产品的特定用途适用性、适销性或对任何专利权、版权或其它知识产权的侵权责任等，均不作担保。高云半导体对文档中包含的文字、图片及其它内容的准确性和完整性不承担任何法律或非法律责任，高云半导体保留修改文档中任何内容的权利，恕不另行通知。高云半导体不承诺对这些文档进行适时的更新。摘要 WP100-1.1 1(14) 摘要摘要物联网(IoT)引入了大量不同种类的设备，这些设备具有自己独特的系统属性。根据爱立信 2018 年移动报告显示，2018 年实现了 10 亿次蜂窝物联网连接，预计到 2023 年将增长到 35

3、亿次。这些独特的物联网硬件系统，带来了新一代的安全威胁，攻击者不仅可以访问数据，还可以直接对公共环境中设备进行本地化控制和监控，这可能危及个人安全，甚至是全球安全。产品安全在生产和采购的各个阶段都存在漏洞。从元器件级上看，器件在工厂测试、封装或装运期间都存在安全风险；从板级来说，最终产品在开发、测试或制造过程中都可能会被篡改或植入漏洞；网络产品制造完成后，器件也可能会被逆向仿制、黑客攻击或克隆。所有这些情况都有可能导致关键数据被访问、监控或控制。为了避免这些问题，系统中的一个或多个集成电路设备需要建立安全根（Root of Trust，RoT）。这些设备能为系统提供加密功能，可用于安全

4、启动、校验固件、生成或验证密钥、证书、签名以及加密或解密数据。 RoT 设备可以通过安全链为系统的其余部分提供安全功能。从安全的角度来看，它是系统中最关键的设备，因为如果它被攻破，整个系统都会受到威胁。因此，从芯片制造到产品，充分评估 RoT 器件的生命周期至关重要。加密函数使用密钥对来识别和确认系统功能。生产 IOT 的半导体厂商需要能建立起与 IOT 器件内部的私钥匹配的根密钥。IoT 设备的私钥应该是不可被外界访问的，也不会独立于器件存在。如果私钥在器件制造过程中可被访问，则该器件可能被克隆或攻击。此外，如果密钥存储在器件的 Flash中或配置信息（Fuse）中，则密钥可能会在芯片制造

5、过程中泄露，或者在产品制造过程中被进行逆向工程和仿制。为了解决这两个问题，RoT 设备应该具有物理不可克隆功能（PUF）性, PUF 使用硅元素的某种固有属性作为随机标识符。当设备上电时，可以使用该特性生成密钥对，而不是将其存储在可能被逆向的特定区域。此外，为了防止设备克隆，设备制造商应得到 RoT 设备授权证书。此证书具有基于加密引擎中根密钥对的签名。设备制造商认证授权的签名可以验证设备的真实性，确保 RoT 设备本身不是克隆体。遵守标准对于确保 RoT 设备中的安全模块与系统的其他部分兼容也很重要。除了遵守国家标准与技术协会(National Institute of standard

6、s and Technology)制定的标准外，符合随机数生成标准 SP 800-90，平台固件保护恢复（PFR）标准 SP 800- 193 也是考量安全性和兼容性的重要因素。安全设备和 RoT 设备选择 WP100-1.1 2(14) 安全安全设备设备和和 RoT 设备设备选择选择对于给定系统中的安全设备一般有两种选择：MCU 和 FPGA。这两种系统各有优缺点。MCU 具有易用性的优势，它更容易获取一些库和应用程序编程接口（API)的授权，且这些库和 API 在器件间更容易移植。比如FreeRTOS 和 MBED TLS，已被广泛用于嵌入式物联网系统且在此系统中很容易获取 TCP/I

7、P 和 TLS/SSL。MCU 的一个缺点是 IO 数量受限，这可能会限制整个系统安全特性所需的接口数量。另一个缺点是 MCU 不能在运行时检测自身的启动内存。 FPGA 具有 IO 数量多、低延迟和并行检查系统元件的优点。IO 数量多可以控制和监视更多系统元件，低延迟可以更快地检测系统元件，并行计算可以更快地检查整个系统。然而，它的主要缺点是不及 MCU 易用。例如，在没有处理器和大量内存的情况下，FPGA 启用 TCP/IP 和 SSL 堆叠极具挑战性，会使代工（OEM）增加难度。所以，理想的设备是以低成本和低功耗将安全特性集成到具有 MCU 和FPGA 结构的设备中。同时，它应具有从边

8、缘设备到服务器的一系列应用所需的封装。这将会提供更优的选择，并根据需要优化系统。利用 FPGA 结构可以实现快速的上电和并行检测，同时利用 MCU 的易用性和库的集成可以加快开发时间。 Gowin SecureFPGATM-安全 SoC FPGA，可用于边缘、物联网和服务器系统 WP100-1.1 3(14) Gowin SecureFPGATM-安全安全 SoC FPGA，可，可用于边缘、物联网和服务器系统用于边缘、物联网和服务器系统高云半导体利用安全根技术在其 SecureFPGATM产品中实现安全功能，结合 MCU 和 FPGA 的优点，为边缘应用、物联网和服务器应用程序等提供安全保护

9、。SecureFPGA 提供了一个基于 PUF 技术的安全库，带有GOWIN 的身份验证，旨在消除从制造到最终产品使用中可能受到的安全威胁。高云 SecureFPGATM产品封装类型丰富，包括 BGA、QFN 和 TQFP，满足 IoT 和服务器应用需求。IoT 封装有不同样式。根据不同需求，QFN、BGA 和 TQFP 可用于服务器应用。全功能安全库 WP100-1.1 4(14) 全全功能安全库功能安全库 Gowin SecureFPGA 产品基于物理不可克隆功能（PUF）技术及椭圆曲线加密法(ECC)，集成了功能全面的安全库，旨在解决和消除当前设备存在的安全威胁。此外，GOWIN 还

10、与 Intrinsic ID 合作提供 Broadkey Pro 安全库。开发人员可以使用加密工具为 Gowin SecureFPGA 器件中的应用程序创建一个 RoT，或者使用经过验证的成熟的安全解决方案为多设备系统提供一个 RoT。图图 1 GWIN-9C SecureFPGATM 器件器件 Gowin SecureFPGATM安全性能安全性能比特流锁定 - 消除片外读取器件比特流可能性；工厂设置 - 激活代码，UUID, CSR 和证书；内嵌双启动 Flash 通过固件签名检测进行在线和远程升级； SRAM PUF 上电时生成的根设备密钥;不存储在 Flash 中； UUID -

11、使用 PUF 根密钥对签名的唯一设备标识符；设备证书 - 验证设备为使用 PUF 根密钥对签名的 GOWIN 设备； ECDH 加密/解密 - 基于 ECC 密钥对 AES128/192/256 引擎；基于 PUF 全功能安全库 WP100-1.1 5(14) 技术，唯一或随机；非对称密钥对生成 - 基于 PUF 技术，密钥对唯一或随机； ECDH 对称密钥生成 - 基于 PUF 技术，密钥对唯一或随机； ECDSA 签名 - 支持生成和校验；随机数生成器 - 基于 PUF 和 AES 技术。安全解决方案成熟度及其满足的标准、证书 WP100-1.1 6(14) 安全解决方案安全解决

12、方案成熟度成熟度及及其满足的标准、其满足的标准、证书证书 GOWIN 与 Intrinsic ID（IID）合作，在 Gowin SecureFPGA 设备中植入 Broadkey Pro 安全库。IID 提供业界最成熟的 PUF 技术解决方案之一，并已被许多半导体设备供应商采用。多年来，它一直被业界认可，在 2019年物联网突破奖项中被评为“年度物联网安全产品”。Intrinsic ID 的安全方案已经成功应用在超过 1.25 亿个设备中，满足 FIPS 140-2 附录 B 和中国OSCCA 标准要求。Intrinsic ID 的安全方案被广泛应用于各个领域，为 RoT设备提供高标准的安全

13、防护，证书包括 EMVCo、Visa 和 CC EAL6+。典型应用 WP100-1.1 7(14) 典型应用典型应用安全启动和安全软件更新安全启动和安全软件更新安全启动是散列、使用密钥生成签名、然后根据先前创建的签名进行验证的过程。设备可以在运行固件之前检查固件是否被篡改。图图 2 安全启动安全启动对于嵌入式应用，安全启动从使用密钥对的私钥在固件上生成签名开始。此签名存储在设备中，以便在运行时进行比较。一旦生成并存储了签名，一组启动代码就可以使用公钥生成签名，并根据之前生成并存储在设备中的签名对其进行验证。典型应用 WP100-1.1 8(14) 图图 3 SecureFPGAT

14、M - 安全启动准备安全启动准备图图 4 SecureFPGATM - 安全启动验证安全启动验证这也适用于验证服务器上多个设备的固件。每个固件都有私钥生成的签名。上电启动时，Gowin SecureFPGA 产品验证每个设备固件的签名。图图 5 Gowin SecureFPGATM服务器服务器应用应用的安全启动的安全启动典型应用 WP100-1.1 9(14) 除了设备安全启动和服务器应用安全启动外，还可以进行安全固件更新。在这种情况下，固件由源程序签名，并通过某些媒介(如 web 或电缆)发送到设备。设备可以在固件更新前使用公钥验证，或者保留其基础镜像的使用。图图 6 安全固件更新

15、安全固件更新数据加密数据加密许多应用程序都需要加密数据。例如，一个设备可以单独加密解密其Flash 或 RAM 中存储的数据或固件，所以不存储明文。另一种情况是，一个设备可以与另一个具有交换密钥的设备交换加密或解密的数据，这些数据在传输过程中不被泄露。图图 7 Gowin SecureFPGATM内部设备加密内部设备加密/解密流程解密流程典型应用 WP100-1.1 10(14) 图图 8 Gowin SecureFPGATM设备到设备加密设备到设备加密/解密流程解密流程工厂制造 WP100-1.1 11(14) 工厂工厂制造制造为了确保整个制造过程的安全性，高云半导体公司提供了专

16、门的SecureFPGA 设备。SecureFPGAs 在测试期间提供一个激活代码，该代码允许设备内部始终生成相同的根密钥对。使用 PUF 引擎生成的根私钥永远不会公开给用户或设备外部。它只对设备内部的安全功能可用，或者用户通过“密钥代码”调用。在配置期间，根公钥从设备导出，形成一个证书签名请求（CSR）或 UUID，可以使用第三方认证授权。GOWIN 提供认证授权(CA)服务为工厂中的每个设备生成证书。GOWIN 的 CA 服务提供了通过验证设备的唯一证书来确认设备是否为正版，如果不是正版，则拒绝使用(详细信息请与高云半导体联系)。这些功能保证了该设备具有唯一的标识，为正版产品，不需要存储数

17、据在 Flash 中，因为从制造到产品生命周期结束期间，Flash 中数据容易泄露。总结 WP100-1.1 12(14) 总结总结 Gowin SecureFPGA 产品支持基于 SRAM PUF 技术的安全根。这些设备不会被复制、克隆或预测。这使得它们非常适合于安全密钥的生成和存储、设备身份验证、灵活的密钥供应和芯片数据管理等应用。每个设备都由厂商提供一个唯一的密钥对，该密钥对永远不会公开在设备外部或器件开发、制造过程中。Gowin SecureFPGA 设备中植入 ID Broadkey Pro 安全库，可以轻松地将常见的安全特性集成到用户应用程序中。Gowin SecureFPGA 应用广泛，可以用于各种消费、工业物联网、边缘和服务器管理等应用。

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