安全是醫療、工業、汽車和通信領域的一個大問題。行業正在采用機器和流程的智能網絡來優化流程和流程，建立在連接的智能機器和系統上。這些系統容易受到惡意攻擊、未知軟件錯誤和遠程的影響。它們甚至會導致物理安全問題，必須防止未經授權的訪問或非法控制。

工業發展的最新篇章，通常稱為第四次工業革命（或工業 4.0），開創了創新和發展的新紀元，但也存在一系列危險和挑戰。它定義了系統、網絡、機器和人類（包括物聯網）之間的通信和互連性，編織出新的復雜性。雖然連接的好處包括提高效率、實時識別和糾正缺陷、預測性維護以及改進各種功能之間的協作，但它們還可以顯著增加智能工廠或自動化制造現場的安全漏洞。

網絡安全不再局限于特定的操作或系統，而是傳播到工廠車間或工業網絡上的每個設備。智能工廠控制系統的安全威脅在全球范圍內呈上升趨勢，包括 PLC、傳感器、嵌入式系統和工業物聯網設備。來自云端的遠程管理也帶來了物理攻擊的風險，例如篡改、注入惡意內容等。

本文概述了FPGA如何推進縱深防御方法來開發安全應用程序，這是第四次工業革命推動的物聯網和邊緣計算快速增長的需求所必需的。它描述了安全性在硬件、設計和數據中的作用，同時使應用程序能夠建立在安全性的三個支柱之上：機密性、完整性和真實性。

一個可靠的安全系統必須提供三個核心組件：

信任：保證您的數據源是可靠的、授權的和經過身份驗證的。

篡改保護：確認您的設備沒有受到任何干擾。

信息保障：您系統中的數據被安全地使用、處理和傳輸。

使用 FPGA 實現基于硬件的安全性

在當前工業 4.0 環境中，采用單一的、基于軟件的安全方法不足以實現足夠的安全級別，因為缺乏壽命、可編程性、高效功耗、外形等。必須采用縱深防御安全機制，加強具有安全層的硬件。

如今，大多數安全框架都是軟件實現，其中包含編譯為在通用控制器或處理器上運行的加密庫。這些軟件實現為具有許多潛在攻擊點的攻擊暴露了更廣泛的易受攻擊空間，例如操作系統、驅動程序、軟件堆棧、內存和軟鍵。

此外，軟件實現可能沒有針對性能超過功率進行優化，并可能導致設計挑戰。在工業系統的整個生命周期中，對堆棧、庫等進行頻繁更新的這些系統的長期維護也可能是繁重且昂貴的。原則上，底層硬件必須將安全性集成到其結構中，以防止靜態和動態逆向工程、篡改和偽造攻擊。

因此，基于可編程硬件的安全性已成為一種全面、強大的解決方案，適用于高能效工業物聯網和邊緣應用，尤其是 FPGA。除了提高系統的安全性能外，FPGA 還提高了應用程序的安全級別。FPGA 必須將關鍵安全組件集成到硬件、設計和數據中，以提供真正強大的解決方案，這將在以下部分進行討論。

保護 FPGA 硬件

在制造地點或通過供應鏈的運輸過程中，硬件可能會在部署前或預編程時受到攻擊。必須構建一個安全的生產系統，該系統能夠在可信度較低的制造環境中對 FPGA 進行加密和配置，控制編程設備的數量，并以加密控制的方式審核制造過程，必須構建以避免克隆、惡意編程的 FPGA 和不真實的部分。

安全的 FPGA 設計

設計安全性建立在安全硬件平臺之上，為設計提供機密性和真實性，同時監控環境中的物理攻擊。旁道攻擊 (SCA) 可能對集成加密系統的 FPGA 造成嚴重威脅，因為它會破壞編程到設備中的比特流。SCA 試圖通過測量或分析各種物理參數（如電源電流、執行時間和電磁輻射）來從芯片或系統中提取秘密。無論是非易失性 FPGA 還是 SRAM FPGA，對 FPGA 進行編程或“加載”的過程都需要抗側通道。

設備環境的主動監控是另一種保護 FPGA 設計免受半侵入式和侵入式攻擊的技術。電壓、溫度和時鐘頻率的波動可能表明有人試圖篡改。防篡改 FPGA 提供可定制的響應來應對攻擊，包括完全擦除設備并使其對攻擊者無用。

保護 FPGA 數據

最后，FPGA 必須在安全硬件和設計之上提供保護應用數據的技術，包括不同方法的組合。其中包括：

真正的隨機數生成器構建符合 NIST 標準的安全協議，并提供隨機源以生成用于加密操作的密鑰。

根密鑰是從物理不可克隆函數 (PUF) 生成的。PUF 利用在半導體生產過程中自然發生的亞微米變化，并賦予每個晶體管略微隨機的電特性和獨特的特性。它們類似于人類的指紋，沒有兩個是相似的。

安全內存由密鑰保護。

加密函數能夠執行行業標準的非對稱、對稱和主題標簽函數。

結論

工業 4.0 是一場不斷進步的革命，其廣泛采用依賴于強大的端到端安全解決方案。基于軟件的安全和加密功能實現容易出現弱點和惡意利用。

相比之下，當今基于硬件的安全解決方案利用具有高級安全可編程特性的 FPGA，這些特性以及硬件、設計和數據的安全層。這提供了旨在保護客戶 IP 免受盜竊或過度建設的硬件。

這些數據安全功能的示例包括針對 SCA 的 DPA 保護，這通常是獲得許可的專利功能。同樣重要的是基于 PUF 的安全密鑰管理解決方案和支持行業標準非對稱、對稱和主題標簽功能的軟件可編程側通道抗性加密處理器。

基于硬件的解決方案為真正靈活和安全的系統鋪平了道路。使用 FPGA 的基于硬件的安全正在成為重要安全必需品的選擇，主要是因為它提供的可編程性、性能和顯著的功率優勢。集成防側通道加密加速器的 FPGA 包括防篡改/反措施，以保護客戶的知識產權并為開發安全系統提供可信的供應鏈管理。

　　審核編輯：湯梓紅