基于RISC-V指令集架构的智能卡处理器核安全技术白皮书

智能卡RISC-V处理器架构设计及安全技术要求

概述

• 中国面临自主可控处理器核的挑战，RISC-V作为开源架构提供了解决方案。
• RISC-V应用领域广泛，预计2030年出货量达170亿颗，市场规模超900亿美元。
• 中国政府积极推动RISC-V发展，将其纳入国家战略，多地出台相关政策。
• RISC-V架构透明但存在安全威胁，智能卡芯片对安全要求极高。

技术架构

• 智能卡RISC-V处理器内核包括取指单元、流水线控制单元、执行单元、访存单元、物理内存保护、中断控制器等。
• 各模块功能：取指单元负责指令获取，流水线控制单元负责指令解码和执行控制，执行单元负责指令执行，访存单元负责内存访问，物理内存保护提供访问权限控制。

安全威胁

• 主要威胁包括信息泄露（侧信道攻击）、故障利用（环境或设计缺陷触发）、篡改攻击（代码或硬件木马）、逻辑攻击（权限控制不足）、生命周期功能滥用（调试接口滥用）。

安全要求

防攻击要求

• 防止信息泄露利用攻击：通过技术手段控制和限制信息泄露，降低泄露与处理器执行指令和操作之间的依赖关系。
• 防止故障注入攻击：提供控制和限制故障利用的方法，防止信息泄露或使芯片进入安全状态。
• 防止篡改攻击：提供控制和限制篡改行为的方法，检测、阻止篡改或进入安全状态。
• 防止逻辑攻击：提供控制和限制逻辑攻击利用的方法，封堵漏洞、阻断攻击路径或进入安全状态。
• 防止生命周期功能滥用攻击：提供控制和限制生命周期功能滥用的方法，屏蔽冗余接口、管控接口权限。

安全增强功能

• 内存泄露管控：防止缓冲区溢出、越界访问等内存漏洞。
• 状态清洗：对特定状态、寄存器或区域进行清洗，确保敏感数据不被泄露。
• 权限分级：支持权限或模式分级功能，提供安全的模式转换机制，隔离不同权限的代码和数据。
• 地址分区访问控制：支持地址空间访问控制功能，防止未经授权的访问。
• 存储数据保护：保护用户数据的完整性和机密性。
• 内部状态监控：支持系统对其关键执行状态和安全状态进行监控。
• 安全配置锁定：提供对安全相关配置的锁定手段。
• 统一分支定时：确保所有条件分支所需的周期数保持一致。
• 随机执行周期：将随机性引入处理器的指令执行流程中。
• 随机指令：当流水线停滞时，自动执行随机指令，维持一定的功耗水平。
• 不可中断指令：确保某些多周期指令在其执行过程中不会被中断。
• 寄存器保护：正确保存和恢复寄存器的值。
• 极性：处理器中传输或存储的数据可以在不同表示之间切换。
• 通用寄存器清除：在发生故障时清除通用寄存器的内容。
• 系统寄存器访问控制：阻止处理器对相应模块的系统寄存器进行写请求。
• 调试管控权限：控制调试模块的权限。
• 乘除法统一执行周期：确保乘/除法算术指令始终以固定周期数完成执行。
• 不可屏蔽中断：通过硬件级不可屏蔽中断机制强制处理器立即响应致命系统事件。

结束语

• RISC-V架构的创新突破和生态完善，为其广泛应用奠定了基础。
• 中国移动积极响应RISC-V趋势，扩大其应用，推进芯片自主可控进程。
• 安全性是RISC-V架构广泛应用的前提，中国移动将RISC-V内核安全认证引入卡安全体系，并携手产业链完善技术标准。