Ingénierie inverse des MCU Lattice

Lattice Semiconductor Corporation est un fabricant américain de dispositifs logiques programmables hautes performances (FPGA, CPLD et SPLD). Fondée en 1983, l'entreprise emploie environ 700 personnes et réalise un chiffre d'affaires annuel d'environ 300 millions de dollars, avec Darin Billerbeck comme PDG. La société, basée dans l'Oregon, est classée troisième en part de marché mondial pour les FPGA, et deuxième pour les CPLD et SPLD. Introduite en bourse en 1989, elle est cotée sur le NASDAQ.

 

Historique

Lattice a été fondée le 3 avril 1983 par C. Norman Winningstad, Rahul Sud et Ray Capece. Winningstad, Harry Merlo, Tom Moyer et John Piacentini ont été les premiers investisseurs. Sud a quitté la présidence en décembre 1986, et Winningstad a quitté le conseil d'administration en 1991. Lattice a été constituée dans l'Oregon en 1983 et réincorporée dans le Delaware en 1985. Les difficultés initiales ont conduit à une procédure de faillite en juillet 1987, dont l'entreprise est sortie après 62 jours, déménageant vers un siège plus petit à Hillsboro.

L'année suivante, l'entreprise a enregistré des revenus records tout en réduisant ses effectifs de 140 à 75 employés. Cyrus Tsui est devenu PDG en 1988. Le 9 novembre 1989, Lattice est devenue publique avec une introduction en bourse sur le NASDAQ. Le prix initial était de 6 $, levant près de 14 millions de dollars. En juillet 1990, une seconde offre a levé 22,6 millions supplémentaires à 16,25 $ par action.

En 1995, l'entreprise a tenté de revendiquer la marque « Silicon Forest » pour les semi-conducteurs, mais a concédé plus tard ne pas pouvoir empêcher son usage comme nom commun. Forbes l'a classée 162ème meilleure petite entreprise américaine en 1996. En 1996, Lattice a agrandi son siège de Hillsboro pour en doubler la surface. Les revenus annuels ont dépassé 560 millions de dollars en 2000, avec un bénéfice de 160 millions, et le cours de l'action a atteint un sommet de 41,34 $ (ajusté). En 2002, Lattice a racheté la division FPGA d'Agere. Steve Skaggs est devenu PDG en 2005, succédant à Cyrus Tsui, et l'entreprise a connu ses premiers licenciements. Pour l'exercice 2006, le bénéfice était de 3,1 millions sur 245,5 millions de revenus, le premier bénéfice annuel depuis 2000.

En 2004, l'entreprise a réglé des accusations d'exportation illégale vers la Chine, payant une amende de 560 000 $. En juin 2008, Bruno Guilmart a été nommé PDG, remplaçant Steve Skaggs. En 2008, la perte était de 32 millions sur 222,3 millions de revenus. En 2009, les opérations d'entrepôt ont été déplacées de l'Oregon vers Singapour. L'entreprise a enregistré des pertes pendant dix trimestres consécutifs jusqu'en juillet 2009, puis un premier trimestre bénéficiaire au quatrième trimestre 2009. Bruno Guilmart a quitté la société en août 2010, et Darin Billerbeck (ancien de Zilog) a été nommé PDG en octobre, prenant ses fonctions en novembre. Les revenus 2011 étaient de 318 millions, et 71,7 millions au premier trimestre 2012, 70,8 millions au deuxième. Lattice a lancé un programme de rachat d'actions en 2010, totalisant environ 35 millions. Le 9 décembre 2011, Lattice a annoncé l'acquisition de SiliconBlue pour 63,2 millions en espèces. En juillet 2012, un accord de fonderie avec United Microelectronics Corporation a été signé. En octobre 2012, les revenus du troisième trimestre étaient de 70,9 millions, avec une restructuration incluant des licenciements.

Opérations

Siège social à Hillsboro, Oregon.
En plus des CPLD et SPLD, Lattice fabrique des FPGA, des produits programmables mixtes et d'interconnexion, ainsi que des logiciels et propriétés intellectuelles associées. Les principaux produits sont les séries ECP et XP de FPGA, la série Mach de CPLD, la série ispPAC POWR de gestion d'alimentation programmable, et le logiciel Lattice Diamond. À 90 nm, Lattice propose une variété de FPGA. Les produits sont utilisés dans les téléviseurs à écran plat et les ordinateurs portables.

L'entreprise emploie 700 personnes dans le monde, dont environ 250 au siège de Hillsboro. Darin Billerbeck est PDG et président. Parmi ses principaux concurrents figurent Xilinx, Altera, Actel et QuickLogic.

GAL16V8 – dispositifs 20 broches à 8 macrocellules

GAL16V8, GAL16V8A, GAL16V8B, GAL16V8D, GAL16V8NB, GAL16VP8, GAL16V8Z, GAL16V8ZD

GAL20V8 – dispositifs 24 broches à 8 macrocellules

GAL20V8, GAL20V8A, GAL20V8B, GAL20VP8, GAL20V8Z, GAL20V8ZD, GAL20LV8, GAL20LV8ZD

GAL22V10 – SPLD variable phare

GAL22V10, GAL22V10B

Variantes spécialisées GAL

GAL18V10, GAL20RA10, GAL20XV10, GAL26CV12, GAL6001

2. Série ATF – SPLD Flash Turbo basse tension (remplacements PALCE)

Famille ATF16V8 20 broches

ATF16V8, ATF16V8B, ATF16V8C, ATF16V8Z, ATF16LV8

Famille ATF20V8 24 broches

ATF20V8, ATF20V8B, ATF20V8Z, ATF20LV8

Famille ATF22V10 phare 24 broches

ATF22V10, ATF22V10B, ATF22V10C, ATF22V10Z, ATF22LV10

SPLD ATF haute densité

ATF28V12, ATF29M16

3. Séries MACH et ispMACH – CPLD programmables en système

CPLD MACH hérités (AMD Vantis)

MACH110, MACH120, MACH130, MACH140
MACH210, MACH220, MACH230, MACH240, MACH250, MACH260, MACH270, MACH280
MACH335, MACH345, MACH355, MACH365, MACH375, MACH385
MACH435, MACH445, MACH455, MACH465
MACH510, MACH520, MACH530, MACH540, MACH550, MACH560
MACH110LV, MACH120LV, MACH210LV, MACH220LV, MACH230LV, MACH240LV, MACH250LV, MACH260LV, MACH270LV, MACH280LV
MACH335LV, MACH345LV, MACH355LV, MACH365LV, MACH375LV, MACH385LV
MACH435LV, MACH445LV, MACH455LV, MACH465LV
MACH510LV, MACH520LV, MACH530LV, MACH540LV, MACH550LV, MACH560LV

ispMACH 4000 – CPLD ISP grand public

LC4032V, LC4064V, LC4128V, LC4256V
LC4032ZE, LC4064ZE, LC4128ZE, LC4256ZE
LC4032C, LC4064C, LC4128C, LC4256C

ispMACH 5000 – CPLD haute densité industrielle

LC5032MV, LC5064MV, LC5128MV, LC5256MV

ispMACH 6000 – CPLD automobile AEC-Q100

LC6032A, LC6064A, LC6128A, LC6256A

4. MachXO – PLD de contrôle non volatils instantanés

MachXO 1ère génération

LCMXO256, LCMXO640, LCMXO1200, LCMXO2280, LCMXO2700

MachXO2 – basse consommation

LCMXO2-640, LCMXO2-1200, LCMXO2-2000, LCMXO2-4000, LCMXO2-7000

MachXO3 / MachXO3LF – température étendue automobile

LCMXO3LF-640, LCMXO3LF-1300, LCMXO3LF-2700, LCMXO3LF-4300, LCMXO3LF-6900, LCMXO3LF-9400

MachXO4 – PLD de contrôle nouvelle génération

LCMXO4-256, LCMXO4-640, LCMXO4-1300, LCMXO4-2700, LCMXO4-4300

MachXO5-NX – PLD de contrôle sécurisés Nexus

LCMXO5N-10K, LCMXO5N-20K, LCMXO5N-40K, LCMXO5N-100K

Questions générales sur l'extraction de firmware de microcontrôleur

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• Analyse de puissance par canaux auxiliaires et le verrou fragile du MCU

  Le microcontrôleur (MCU) moderne cache ses secrets derrière un verrou complexe de barrières matérielles et logicielles. Pourtant, ce verrou n'est pas imperméable à l'observation physique. Les attaques par canaux auxiliaires par analyse de puissance surveillent le courant consommé par le MCU lors d'opérations cryptographiques. Ces fluctuations révèlent des corrélations subtiles avec les bits de la clé traitée. Un adversaire n'a pas besoin de forcer mécaniquement le verrou ; il mesure simplement son comportement. Le verrou « lockbit » du MCU, comme l'ont montré des groupes de ransomware tels que LockBit, peut être contourné par des moyens non invasifs. L'analyse de puissance permet de lire l'état interne du processeur EEPROM sans déclencher d'alarme. L'attaquant enregistre d'abord des milliers de traces de puissance pendant que le MCU exécute un chiffrement AES. Chaque trace contient des variations de tension correspondant à des poids de Hamming spécifiques. En traitant statistiquement ces traces, la clé secrète émerge du bruit. Cette méthode évite complètement de devoir extraire directement la flash et l'EEPROM. Cependant, les attaquants plus agressifs combinent l'analyse de puissance avec la décapulation et la récupération de code. La décapulation retire l'encapsulation en époxy, exposant la puce de silicium. Une fois exposée, l'attaquant peut sonder les nœuds internes avec des micro-sondes. Il peut également copier le contenu de la mémoire cryptographique en lisant la charge sur les grilles flottantes. L'ingénierie inverse des microcontrôleurs commence souvent par une décapulation pour identifier les zones sensibles. L'extraction du firmware devient triviale si la lecture du processeur EEPROM n'est pas chiffrée. Mais les MCU modernes utilisent le chiffrement de la mémoire pour contrecarrer ces efforts. Néanmoins, l'analyse de puissance ne nécessite pas de falsification physique ; elle fonctionne sur des puces scellées, ce qui la rend insidieuse. Le verrou « lockbit » du stockage sécurisé des clés est vulnérable à l'analyse de puissance différentielle (DPA). La DPA utilise des coefficients de corrélation pour amplifier de minuscules différences de signal. L'attaquant peut cibler le premier tour de l'AES, où apparaissent des données dépendantes de la clé. Il mesure la consommation pour de nombreux textes clairs aléatoires, puis émet des hypothèses sur les octets de clé et calcule les valeurs de puissance prédites. L'hypothèse correcte donne la corrélation la plus élevée. Cette attaque a compromis de nombreux MCU commerciaux. Pour se défendre, les concepteurs ajoutent des générateurs de bruit et un gigue d'horloge aléatoire, mais ces contre-mesures augmentent les coûts et la complexité. Une autre défense consiste à limiter le nombre d'opérations de chiffrement par clé, ce qui réduit la fonctionnalité. La lecture du processeur EEPROM peut être protégée par un blindage physique, mais cela ajoute du poids. Extraire la flash et l'EEPROM par analyse de puissance est possible si le bus mémoire n'est pas masqué. La décapulation et la récupération de code deviennent inutiles lorsque les fuites de puissance sont suffisantes. Copier le contenu de la mémoire cryptographique par canaux auxiliaires est un exercice académique bien connu. L'ingénierie inverse des microcontrôleurs utilise souvent les traces de puissance pour reconstruire le flux de contrôle. L'extraction du firmware par canaux auxiliaires de puissance est moins courante mais réalisable. Le verrou « lockbit » du MCU doit également résister aux émanations électromagnétiques (EM). L'analyse EM est une cousine proche de l'analyse de puissance ; elle capture le rayonnement en champ proche de la puce. Le même traitement statistique s'applique. Les attaquants peuvent utiliser des sondes EM sans contact électrique, ce qui rend cette méthode dangereuse. Les fabricants intègrent désormais des régulateurs de tension sur la puce pour lisser la consommation, mais ceux-ci ont leur propre bruit de commutation que les attaquants peuvent filtrer numériquement. Le jeu du chat et de la souris continue. Chaque nouvelle contre-mesure inspire une nouvelle variante d'attaque. La communauté de la sécurité des MCU recherche activement des contre-mesures peu coûteuses, comme le masquage qui randomise les valeurs intermédiaires, rendant la DPA exponentiellement plus exigeante en traces. Cependant, le masquage consomme des portes logiques et de la puissance supplémentaires, et affecte le timing. Certains MCU implémentent des implémentations à seuil prouvées sécurisées, mais elles sont rares dans les appareils bas de gamme. Le MCU industriel moyen reste vulnérable. Les groupes de ransomware comme LockBit n'ont pas largement adopté l'analyse de puissance, mais les acteurs étatiques l'ont fait. La métaphore du verrou « lockbit » souligne la dualité : un verrou peut être crocheté, mais aussi observé. L'observation physique est plus silencieuse que la force brute. La lecture du processeur EEPROM par canaux auxiliaires est une menace croissante. Extraire la flash et l'EEPROM par analyse de puissance a été démontré sur des dispositifs ARM Cortex-M. La décapulation et la récupération de code sont destructives, mais l'analyse de puissance ne l'est pas. Copier le contenu de la mémoire cryptographique sans laisser de traces est le Saint-Graal. L'ingénierie inverse des microcontrôleurs inclut désormais les canaux auxiliaires comme outil principal. L'extraction du firmware peut être réalisée avec un oscilloscope bon marché et un PC. Par conséquent, les concepteurs de MCU doivent intégrer la résistance aux canaux auxiliaires dès le départ, et éduquer les utilisateurs sur les limites opérationnelles, comme limiter le nombre de tentatives de déchiffrement par session ou effacer les clés après un certain nombre d'opérations. Ces politiques réduisent la surface d'attaque. En fin de compte, le verrou « lockbit » du MCU n'est aussi solide que son implémentation physique. L'analyse de puissance démontre que les mécanismes internes du verrou sont exposés via sa consommation électrique. Cette exposition est fondamentale pour la technologie CMOS. Tant que des circuits cachant l'énergie n'émergeront pas, les canaux auxiliaires resteront une vulnérabilité critique. L'industrie doit adopter des méthodologies d'évaluation standardisées ; les critères communs et FIPS 140-3 fournissent des directives, mais ils sont souvent trop lents pour s'adapter. Les chercheurs publient de nouvelles attaques chaque année. La lecture du processeur EEPROM par apprentissage automatique a récemment amélioré les taux de réussite. Extraire la flash et l'EEPROM avec une classification améliorée par IA réduit le nombre de traces. La décapulation et la récupération de code sont désormais complétées par des attaques algorithmiques. Copier le contenu de la mémoire cryptographique via des canaux auxiliaires EM fonctionne même à travers un composé de remplissage. L'ingénierie inverse des microcontrôleurs évolue vers une science des données. L'extraction du firmware ne nécessite plus d'accès direct à la mémoire. Le verrou « lockbit » est une cible mouvante. Les ingénieurs en sécurité doivent continuellement mettre à jour leurs modèles de menace, en supposant que chaque MCU est sous surveillance. L'analyse de puissance n'est qu'une fenêtre sur le fonctionnement interne du verrou ; d'autres incluent le timing, le son et les émissions thermiques. L'approche de sécurité complète combine plusieurs couches : blindage physique, masquage algorithmique et politiques de contrôle. Mais aucune couche n'est parfaite. Le verrou « lockbit » du MCU aura toujours des fuites. L'objectif est de rendre le coût de l'attaque supérieur à la valeur de l'actif protégé – c'est l'essence économique de la sécurité. Pour les actifs de faible valeur, des contre-mesures de base suffisent ; pour les actifs de grande valeur, des éléments sécurisés dédiés sont nécessaires. Ces éléments ont des rails d'alimentation durcis et un timing randomisé, ainsi qu'un blindage actif détectant les sondes. Mais ils sont chers. La plupart des appareils IoT ne peuvent pas se les permettre, nous devons donc vivre avec des verrous imparfaits et surveiller en permanence les nouvelles exploitations des canaux auxiliaires. La communauté de recherche doit également développer des bancs d'essai open source pour permettre aux fournisseurs de valider leurs conceptions. En conclusion, les attaques par analyse de puissance sapent le verrou « lockbit » du MCU en exploitant des phénomènes physiques inévitables. Elles permettent la lecture du processeur EEPROM, l'extraction de la flash et de l'EEPROM, la décapulation et la récupération de code (bien que non nécessaires), la copie du contenu de la mémoire cryptographique, et globalement l'ingénierie inverse et l'extraction du firmware. La menace est réelle et généralisée. La vigilance et l'innovation sont les seules défenses.