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不斷增加的代碼長(cháng)度。嵌入式系統常用的標準閃存容量規格可以支持1Gbit甚至更大的存儲空間，遠高于eFlash。外置閃存還可以容納更多的CPU內核/負載，以應對機器學(xué)習、人工智能等復雜技術(shù)所需的更密集、更實(shí)時(shí)的處理。這些變化有助于簡(jiǎn)化設計工作并加快產(chǎn)品上市，從而提供不同的型號以便更好地滿(mǎn)足價(jià)格、性能或其他標準方面的需求。

 

III.利用外置閃存設計安全的嵌入式系統

 

無(wú)論是使用eFlash還是外置閃存，設計安全的嵌入式系統都是一項越來(lái)越繁重的工作。本章重點(diǎn)介紹一些重要的注意事項，以幫助指導設計和開(kāi)發(fā)工作。

 

通常，針對端到端安全而設計的系統必須具備三大要素：

 

保護機制，用于保護代碼和關(guān)鍵數據的完整性，防止各種方式的刪除、更改或破壞  

檢測機制，用于揭示代碼和/或關(guān)鍵數據何時(shí)被以某些未經(jīng)授權的方式更改

恢復機制，用于恢復被以某些未經(jīng)授權的方式更改的代碼和/或關(guān)鍵數據的完整性 

工程師設計的系統應能夠應對STRIDE模型已驗證的所有威脅。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(lái)應對各種威脅。

 

 

安全產(chǎn)品設計需要建立基于信任根的可信執行環(huán)境（TEE）。在使用所有組件和子系統之前，TEE提供了驗證真實(shí)性和完整性的方法。創(chuàng )建這種安全設計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

●  通過(guò)驗證和加密鞏固這一基礎

●  保護所有連接、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

●  對系統進(jìn)行獨立的漏洞和風(fēng)險評估

●  持續實(shí)時(shí)監控異常情況

●  實(shí)施應對流程（例如：安全更新）

 

圖2顯示在系統中實(shí)施信任根時(shí)如何權衡風(fēng)險和成本?？梢灶A料，基于軟件的設計成本最低，而安全性也最低。圖2沒(méi)有顯示不安全嵌入式系統的間接成本，而這些非常實(shí)際的成本可以輕松地證明，基于硬件的設計可以將安全性最大化。

 

 

美國國家標準技術(shù)研究院計算機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。因為信任根天然可信，所以必須通過(guò)設計來(lái)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(wú)法篡改其提供的功能。”

 

技術(shù)的進(jìn)步不斷推動(dòng)IC成本下降，集成新一代IC的系統成本也隨之降低。外置閃存也是這種情況，安全“智能閃存”的出現，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

 

半導體廠(chǎng)商想方設法尋求小尺寸的嵌入式閃存，但是還沒(méi)有可行的解決方案出現。小尺寸RRAM和MRAM技術(shù)已作為eFlash的替代品得到了廣泛研究，但由于數據完整性和成本方面的挑戰，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)應用。截至本文撰寫(xiě)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內部的HSM和外置存儲設備的加密安全區之間。一種前景不錯的解決方案是舍棄目前的做法，不將各種類(lèi)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MCU建立經(jīng)過(guò)驗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(lái)革命性的變化。就嵌入式系統而言，技術(shù)發(fā)展將集中體現在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，并具備快速隨機讀取性能。

 

安全NOR閃存，或更簡(jiǎn)單的安全閃存，可為安全密鑰、證書(shū)、哈希密碼、特定應用數據、配置數據、代碼版本信息和生物識別傳感器數據提供硬件保護的安全存儲，以便用于驗證。安全閃存還支持經(jīng)過(guò)驗證和加密的交易，以防止未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)和其他安全威脅。

 

相比之下，當前基于狀態(tài)機的存儲架構則無(wú)法提供與嵌入式處理器相同的多功能性和性能。例如，強大的安全需要強大的加密，進(jìn)而需要強大的處理能力。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數器，并可保護固件、啟動(dòng)鏡像和系統參數免受攻擊。

 

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/或減輕系統主SOC/MCU的工作量。例如，嵌入式處理可以實(shí)現硬件信任根的創(chuàng )建，從而防止對存儲的代碼和數據進(jìn)行修改、操縱和其他安全攻擊?；蛘?，處理器也可以對原始數據運行各種算法，包括機器學(xué)習算法，然后存儲系統其他功能所需的結果。

 

此外，針對可以通過(guò)智能存儲的嵌入式處理器運行代碼而全部或部分認證的安全法規，新系統能夠更加輕松地獲得認證。這樣，通過(guò)簡(jiǎn)化所需的設計和開(kāi)發(fā)工作，我們可以極大地加快新產(chǎn)品的上市速度。

 

圖4顯示了內置了智能化安全的閃存如何滿(mǎn)足嵌入式系統所需的性能、可靠性、安全性和功能安全。通過(guò)使用包括x4 SPI（QSPI）和x8 HyperBus在內的標準總線(xiàn)協(xié)議，智能安全閃存可以與主控芯片配合，以達到要求嚴苛的互聯(lián)應用所需的安全級別，同時(shí)仍然完全兼容現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)應用，安全閃存可以確保系統的安全啟動(dòng)，記錄關(guān)鍵的信息，并擴展重要功能的工作存儲。此類(lèi)“故障保護”應用的示例包括：高級駕駛輔助系統（ADAS），便攜式醫療設備，工廠(chǎng)自動(dòng)化，國防級傳感器，以及高級無(wú)線(xiàn)通信系統。

 

無(wú)故障的一個(gè)重要方面，是對存儲的代碼和數據進(jìn)行加密，以防遭到更改或破壞。通過(guò)集成加密引擎和嵌入式處理器，數據能夠以安全的方式進(jìn)行存儲?？紤]到存儲所增加的邏輯門(mén)數遠小于CPU和專(zhuān)用計算引擎所需要增加的邏輯門(mén)數，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，就是確保系統正常啟動(dòng)，理想情況下應基于可信計算工作組的設備標識符組合引擎（DICE）標準。安全啟動(dòng)流程對閃存和主SOC/MCU進(jìn)行相互驗證，以確保穿越總線(xiàn)的所有交易的機密性，從而實(shí)現端到端的保護。而且因為閃存是智能的，所以經(jīng)過(guò)驗證的啟動(dòng)過(guò)程可以在某些應用領(lǐng)域需求的不到100毫秒時(shí)間內實(shí)現。

 

能夠將代碼安全地更新至最新版本，是安全啟動(dòng)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(méi)有任何篡改或損壞的情況下完成，無(wú)論是有意還是意外的損壞。如果通過(guò)版本認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非安全生產(chǎn)設施或服務(wù)中心可能存在的任何設備配置。

 

嵌入式智能使得安全閃存除了保護存儲的代碼和數據之外，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行代碼，從而減輕主機MCU的負載。這樣也可以減少MCU所需的片上RAM的數量，從而有助于降低成本和功耗。

 

在最嚴苛的安全性和功能安全需求推動(dòng)下，汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)率先采用安全存儲。因為嵌入式系統的潛在漏洞可能導致遠程攻擊，并最終威脅到乘客或工作人員的安全，所以，如果不能確保強大的安全性，就無(wú)法實(shí)現系統的功能安全。因此，安全關(guān)鍵型應用的所有半導體組件（包括外置閃存設備）都必須符合ISO26262高級駕駛員輔助系統（ADAS）標準和IEC 61508工業(yè)系統標準。 

 

持續監控現場(chǎng)設備狀況，執行遠程診斷和預防性維護，也都非常重要。閃存設備容易出現幾種故障模式，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(zhù)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。在這兩種設計中，安全閃存都可以通過(guò)行業(yè)標準總線(xiàn)，以加密安全的方式，在受保護區域和主機MCU的HSM之間傳輸代碼和數據。

 

可以預期，采用安全閃存的設計將變得越來(lái)越普遍，對于滿(mǎn)足不斷發(fā)展的安全需求來(lái)說(shuō)甚至必不可少。如今，攻擊行為正在變得日漸廣泛和復雜，各項法規預計將會(huì )越來(lái)越嚴格，自動(dòng)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(mǎn)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，設計工程師將越來(lái)越依賴(lài)僅智能安全閃存可以提供的便捷性。

 

關(guān)于作者

 

Sandeep Krishnegowda是賽普拉斯半導體公司閃存業(yè)務(wù)部的產(chǎn)品總監。他在賽普拉斯的存儲器產(chǎn)品部門(mén)工作了十多年，擔任過(guò)各種工程、管理和營(yíng)銷(xiāo)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。