Lattice MCU Reverse Engineering

Lattice Semiconductor Corporation ist ein US-amerikanischer Hersteller von leistungsstarken programmierbaren Logikbausteinen (FPGAs, CPLDs und SPLDs). Das 1983 gegründete Unternehmen beschäftigt etwa 700 Mitarbeiter und erzielt einen Jahresumsatz von rund 300 Millionen US-Dollar. CEO ist Darin Billerbeck. Das in Oregon ansässige Unternehmen belegt weltweit den dritten Platz im Marktanteil für Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und den zweiten Platz für CPLDs und SPLDs. Das Unternehmen ging 1989 an die Börse und wird an der NASDAQ gehandelt.

 

Geschichte

Lattice wurde am 3. April 1983 von C. Norman Winningstad, Rahul Sud und Ray Capece gegründet.[7] Winningstad, Harry Merlo, Tom Moyer und John Piacentini waren die ersten Investoren des Unternehmens.[7] Mitgründer Sud verließ das Unternehmen im Dezember 1986 als Präsident, und Winningstad schied 1991 als Aufsichtsratsvorsitzender aus.[7] Lattice wurde 1983 in Oregon gegründet und 1985 in Delaware neu gegründet. Anfängliche Schwierigkeiten führten im Juli 1987 zu einem Insolvenzverfahren nach Kapitel 11.[7] Das Unternehmen verließ das Insolvenzverfahren nach 62 Tagen und zog in ein kleineres Hauptquartier in Hillsboro, Oregon, um, damals noch in einem nicht eingemeindeten Gebiet nahe Beaverton.

Im folgenden Jahr erzielte das Unternehmen damalige Rekordumsätze, während die Belegschaft von 140 auf 75 Mitarbeiter nach der Insolvenz schrumpfte.[9] Cyrus Tsui wurde 1988 zum CEO des Unternehmens ernannt.[10] Am 9. November 1989 wurde Lattice ein börsennotiertes Unternehmen, als die Aktien nach einem Börsengang an der NASDAQ gelistet wurden.[11] Der Ausgabepreis betrug 6 US-Dollar, und das Unternehmen nahm fast 14 Millionen US-Dollar an Kapital auf.[11] Im Juli 1990 sammelte Lattice zusätzliche 22,6 Millionen US-Dollar aus einer zweiten Aktienemission, indem fast 1,5 Millionen neue Aktien zu 16,25 US-Dollar pro Aktie verkauft wurden.

1995 versuchte das Unternehmen, Markenrechte für den Begriff „Silicon Forest“ über die Nutzung als Marke für Halbleiterbauelemente hinaus geltend zu machen.[13] Sie hatten die Marke 1985 registriert, räumten später jedoch ein, dass sie die Verwendung des Begriffs als Substantiv nicht verhindern könnten.[13] Forbes stufte das Unternehmen 1996 als das 162. beste Kleinunternehmen in den Vereinigten Staaten ein.

1996 begann Lattice mit Erweiterungen am Hauptsitz in Hillsboro, Oregon, um die Einrichtung zu verdoppeln.[10] Das Unternehmen erzielte im Jahr 2000 einen Jahresumsatz von mehr als 560 Millionen US-Dollar und Gewinne von über 160 Millionen US-Dollar.[15] Der Aktienkurs erreichte in diesem Jahr mit 41,34 US-Dollar pro Aktie (bereinigt um Aktiensplits) ein Allzeithoch.[15] Lattice übernahm 2002 die FPGA-Sparte von Agere Corporation.[16] Steve Skaggs wurde 2005 als CEO eingestellt und ersetzte Cyrus Tsui.[16] In diesem Jahr gab es bei Lattice erstmals in der Unternehmensgeschichte Entlassungen.[16] Für das Geschäftsjahr 2006 wies Lattice einen Gewinn von 3,1 Millionen US-Dollar bei einem Umsatz von 245,5 Millionen US-Dollar aus – dies war der erste Jahresgewinn seit 2000.

Im Jahr 2004 einigte sich das Unternehmen mit der US-Regierung wegen des illegalen Exports bestimmter Technologien nach China und zahlte eine Geldstrafe von 560.000 US-Dollar.[18] Im Juni 2008 wurde Bruno Guilmart als CEO des Unternehmens ernannt und ersetzte Steve Skaggs.[19] Für das Geschäftsjahr 2008 wies Lattice einen Verlust von 32 Millionen US-Dollar bei einem Jahresumsatz von 222,3 Millionen US-Dollar aus.[20] 2009 begann das Unternehmen, alle Lageraktivitäten für Teile von Oregon nach Singapur zu verlagern.[21] Bis Juli 2009 hatte das Unternehmen zehn Quartale in Folge Verluste verzeichnet[22] und im vierten Quartal 2009 den ersten profitablen Quartalsgewinn seit drei Jahren erzielt.[23] Bruno Guilmart verließ das Unternehmen im August 2010, und Darin Billerbeck, der im Vorjahr Zilog verkauft hatte, wurde im Oktober 2010 zum neuen CEO ernannt und trat sein Amt im November an.[24] Das Unternehmen meldete für 2011 einen Umsatz von 318 Millionen US-Dollar.[25] Für das erste Quartal 2012 meldete Lattice einen Umsatz von 71,7 Millionen US-Dollar.[26] Lattice meldete für das zweite Quartal 2012 einen Umsatz von 70,8 Millionen US-Dollar.[27] Lattice startete 2010 ein Aktienrückkaufprogramm, das bis 2012 fortgesetzt wurde und sich bei vollständiger Umsetzung auf etwa 35 Millionen US-Dollar belaufen würde.[28]
Am 9. Dezember 2011 gab Lattice die Übernahme von SiliconBlue für 63,2 Millionen US-Dollar in bar bekannt. Im Juli 2012 gab Lattice eine Foundry-Vereinbarung mit United Microelectronics Corporation bekannt. Im Oktober 2012 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 70,9 Millionen US-Dollar im dritten Quartal und Restrukturierungen, die auch Entlassungen umfassten.

Betrieb

Hauptsitz des Unternehmens in Hillsboro, Oregon
Neben CPLDs und SPLDs stellt Lattice auch Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), programmierbare Mixed-Signal- und Verbindungsprodukte, zugehörige Software und geistiges Eigentum (IP) her.[33] Zu den Hauptprodukten von Lattice gehören die ECP- und XP-Serien von FPGAs, die Mach-Serie von CPLDs (Complex Programmable Logic Devices), die ispPAC POWR-Serie von programmierbaren Stromversorgungsmanagement-Produkten (programmierbare Mixed-Signal-FPAA) und die Lattice Diamond-Designsoftware.[34] Bei der 90-nm-Technologie bietet Lattice eine Vielzahl von FPGA-Bausteinen an. Die Produkte finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung, wie z. B. Flachbildfernsehern und Laptops.

Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Hillsboro, Oregon, in der als Silicon Forest bekannten Hightech-Region.[35] Das Unternehmen beschäftigt weltweit 700 Mitarbeiter, davon etwa 250 am Hauptsitz. Darin Billerbeck ist CEO und Präsident von Lattice.[2][36] Zu den wichtigsten Wettbewerbern zählen Xilinx, Altera, Actel und QuickLogic.

GAL16V8 20-Pin 8-Makrozellen-Bausteine

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

GAL20V8 24-Pin 8-Makrozellen-Bausteine

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

GAL22V10 Flaggschiff-Variable-Term-SPLD

GAL22V10, GAL22V10B

Spezielle GAL-Varianten

GAL18V10, GAL20RA10, GAL20XV10, GAL26CV12, GAL6001

2. ATF-Serie Low-Voltage Turbo-Flash-SPLDs (PALCE-Ersatz)

ATF16V8 20-Pin-Familie

ATF16V8, ATF16V8B, ATF16V8C, ATF16V8Z, ATF16LV8

ATF20V8 24-Pin-Familie

ATF20V8, ATF20V8B, ATF20V8Z, ATF20LV8

ATF22V10 Flaggschiff-24-Pin-Familie

ATF22V10, ATF22V10B, ATF22V10C, ATF22V10Z, ATF22LV10

Hochdichte ATF-SPLDs

ATF28V12, ATF29M16

3. MACH- und ispMACH-Serie In-System-programmierbare CPLDs

Legacy Original AMD Vantis MACH eingestellte CPLDs

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 Mainstream-ISP-CPLDs

LC4032V, LC4064V, LC4128V, LC4256V

LC4032ZE, LC4064ZE, LC4128ZE, LC4256ZE

LC4032C, LC4064C, LC4128C, LC4256C

ispMACH 5000 Hochdichte Industrie-CPLDs

LC5032MV, LC5064MV, LC5128MV, LC5256MV

ispMACH 6000 Automotive AEC-Q100 CPLDs

LC6032A, LC6064A, LC6128A, LC6256A

4. MachXO Instant-On Non-Volatile Control PLDs

MachXO 1. Generation

LCMXO256, LCMXO640, LCMXO1200, LCMXO2280, LCMXO2700

MachXO2 stromsparende Generation

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

MachXO3 / MachXO3LF Automotive Extended Temp Serie

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

MachXO4 nächste Generation Low-Density Control PLDs

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

MachXO5-NX Secure Nexus Process Control PLDs

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

Allgemeine Fragen zur Mikrocontroller-Firmware-Extraktion

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• Ist es sicher, eine Zahlung an MikaTech zu senden?

  Wenn MikaTech ein schlechtes Unternehmen wäre, gäbe es im Internet massenhaft negative Berichte über seinen Service aus 28 Jahren Geschichte

  Die Antwort lautet also: JA! Wir sind gute Leute.

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• Kann Mikatech auch ICs knacken, die nicht auf dieser Seite aufgeführt sind?

  Verschiedene Chip-Hersteller verwenden unterschiedliche Teilenummern, aber der innere Kern des Chips kann mit derselben Technologie hergestellt sein. Es wäre unmöglich, alle Teilenummern aufzulisten, auf die unsere Technologie anwendbar ist, wie z. B. MYSON, STK, FEELING, ANALOG, FUJITSU, NOVATEK, LG/HYNDAI.
  
  Außerdem sammeln wir mit fortschreitender Technologie täglich mehr Erfahrung und entwickeln neue Methoden für das Reverse Engineering verschiedener integrierter Schaltungen. Die vollständige Liste der Teilenummern integrierter Schaltungen, die in unseren Leistungsbereich fallen, wird ständig größer. Bitte kontaktieren Sie uns, um mehr zu erfahren.

• Wird meine Privatsphäre geschützt?

  Mikatech Innovative Limited versteht die Bedeutung der Privatsphäre seiner Kunden. Sobald Sie Mikatech kontaktieren, werden Ihre persönlichen Daten gemäß unseren Managementrichtlinien geschützt, die wir im Laufe der Jahre entwickelt haben. Mikatech verwendet diese Informationen, um seinen Service für Sie zu individualisieren und gibt diese Daten niemals an Dritte weiter – aus keinem Grund.
  Bei jedem Projekt löschen wir alle Daten, Materialien und Codes 60 Tage nach der Auslieferung der Dateien. Das schützt uns und Ihre Privatsphäre.

• Ist es legal, den Service von Mikatech in Anspruch zu nehmen?

  Ja, es ist völlig legal.
  Mikatech erbringt seine Reverse-Engineering-Dienstleistungen ausschließlich zu Bildungszwecken. Die Nutzung der oben genannten Dienste kann in einigen Ländern oder Regionen illegal sein. Bitte prüfen Sie Ihre lokalen Gesetze. Mikatech übernimmt keine Verantwortung für die Nutzung der oben genannten Dienste, die als illegal angesehen werden könnte.

  
  
• Ich habe Ihnen eine E-Mail gesendet, warum erhalte ich keine Antwort?

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• Side-Channel Power Analysis und das fragile MCU-Lockbit-Lock

  Der moderne Mikrocontroller (MCU) verbirgt seine Geheimnisse hinter einem komplexen Schloss aus Hardware- und Firmware-Barrieren. Doch dieses Schloss ist nicht undurchdringlich für physikalische Beobachtung. Side-Channel Power Analysis-Angriffe messen den Stromverbrauch des MCU während kryptografischer Operationen. Diese Schwankungen offenbaren subtile Korrelationen mit den verarbeiteten Schlüsselbits. Ein Angreifer muss das Schloss nicht mechanisch knacken; er misst lediglich sein Verhalten. Das MCU-Lockbit-Lock, wie es Ransomware-Gruppen wie LockBit gezeigt haben, kann auf nicht-invasive Weise umgangen werden. Die Leistungsanalyse ermöglicht das Auslesen des internen Zustands eines EEPROM-Prozessors, ohne einen Alarm auszulösen. Der Angreifer zeichnet zunächst Tausende von Leistungsspuren auf, während der MCU eine AES-Verschlüsselung ausführt. Jede Spur enthält Spannungsschwankungen, die bestimmten Hamming-Gewichten entsprechen. Durch statistische Verarbeitung dieser Spuren taucht der geheime Schlüssel aus dem Rauschen auf. Diese Methode umgeht vollständig die Notwendigkeit, Flash- und EEPROM direkt auszulesen. Aggressivere Angreifer kombinieren jedoch die Leistungsanalyse mit Dekapsulation und Code-Wiederherstellung. Die Dekapsulation entfernt das Epoxidharz-Gehäuse und legt den Silizium-Die frei. Sobald der Die freigelegt ist, kann der Angreifer interne Knoten mit Mikrosonden untersuchen. Er kann auch den Inhalt des Kryptospeichers kopieren, indem er die Ladung auf Floating-Gates liest. Reverse Engineering von Mikrocontrollern beginnt oft mit der Dekapsulation, um empfindliche Bereiche zu identifizieren. Die Firmware-Extraktion wird trivial, wenn das Auslesen eines EEPROM-Prozessors unverschlüsselt ist. Aber moderne MCUs verwenden Speicherverschlüsselung, um solche Bemühungen zu erschweren. Dennoch erfordert die Leistungsanalyse keine physische Manipulation. Sie funktioniert bei versiegelten Chips und ist daher heimtückisch. Das Lockbit-Lock der sicheren Schlüsselspeicherung des MCU ist anfällig für Differentielle Leistungsanalyse (DPA). DPA verwendet Korrelationskoeffizienten, um winzige Signaldifferenzen zu verstärken. Der Angreifer kann die erste AES-Runde angreifen, in der schlüsselabhängige Daten erscheinen. Er misst den Stromverbrauch für viele zufällige Klartexte. Dann stellt er Hypothesen über Schlüsselbytes auf und berechnet vorhergesagte Leistungswerte. Die richtige Hypothese ergibt die höchste Korrelation. Dieser Angriff hat viele kommerzielle MCUs geknackt. Zur Verteidigung fügen Entwickler Rauschgeneratoren und zufälligen Takt-Jitter hinzu. Aber diese Gegenmaßnahmen erhöhen Kosten und Komplexität. Eine weitere Verteidigung besteht darin, die Anzahl der Verschlüsselungsoperationen pro Schlüssel zu begrenzen. Das schränkt jedoch die Funktionalität ein. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors kann durch physikalische Abschirmung geschützt werden, aber die Abschirmung erhöht das Gewicht. Das Auslesen von Flash und EEPROM über Leistungsanalyse ist möglich, wenn der Speicherbus nicht maskiert ist. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung werden überflüssig, wenn die Leistungsleckage ausreicht. Das Kopieren von Kryptospeicherinhalten über Seitenkanäle ist ein bekanntes akademisches Übungsszenario. Reverse Engineering von Mikrocontrollern verwendet oft Leistungsspuren, um den Steuerfluss zu rekonstruieren. Firmware-Extraktion über Leistungs-Seitenkanäle ist weniger verbreitet, aber machbar. Das MCU-Lockbit-Lock muss auch elektromagnetischen (EM) Abstrahlungen widerstehen. Die EM-Analyse ist ein enger Verwandter der Leistungsanalyse. Sie erfasst die Nahfeld-Strahlung des Chips. Die gleiche statistische Verarbeitung wird angewendet. Angreifer können EM-Sonden ohne elektrischen Kontakt verwenden. Diese nicht-invasive Natur macht sie gefährlich. Hersteller integrieren heute spannungsregulierende Schaltungen auf dem Chip, um den Stromverbrauch zu glätten. Aber Regler haben ihr eigenes Schaltrauschen. Angreifer können dieses Rauschen digital filtern. Das Katz-und-Maus-Spiel geht weiter. Jede neue Gegenmaßnahme inspiriert zu einer neuen Angriffsvariante. Die MCU-Sicherheitsgemeinschaft erforscht aktiv kostengünstige Gegenmaßnahmen. So randomisieren Maskierungsschemata Zwischenwerte. Maskierung erfordert exponentiell mehr Spuren für DPA. Allerdings verbraucht sie zusätzliche Logikgatter und Leistung. Sie beeinträchtigt auch das Timing. Einige MCUs implementieren Schwellenimplementierungen, die nachweislich sicher sind. Aber diese sind in kostengünstigen Geräten selten. Der durchschnittliche Industrie-MCU bleibt anfällig. Ransomware-Gruppen wie LockBit haben die Leistungsanalyse nicht weit verbreitet eingesetzt, aber staatliche Akteure schon. Die Lockbit-Lock-Metapher verdeutlicht die Dualität: Ein Schloss kann geknackt, aber auch beobachtet werden. Die physikalische Beobachtung ist leiser als Brute-Force. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors über Seitenkanäle ist eine wachsende Bedrohung. Das Auslesen von Flash und EEPROM mit Leistungsanalyse wurde auf ARM Cortex-M-Geräten demonstriert. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung sind zerstörerisch, aber die Leistungsanalyse ist es nicht. Das Kopieren von Kryptospeicherinhalten ohne Spuren zu hinterlassen, ist der heilige Gral. Reverse Engineering von Mikrocontrollern umfasst heute den Seitenkanal als primäres Werkzeug. Die Firmware-Extraktion kann mit einem preisgünstigen Oszilloskop und einem PC erreicht werden. Daher müssen MCU-Entwickler die Seitenkanalresistenz von Anfang an berücksichtigen. Sie müssen die Benutzer auch über betriebliche Grenzen aufklären. Zum Beispiel die Begrenzung der Anzahl von Entschlüsselungsversuchen pro Sitzung. Oder das Löschen von Schlüsseln nach einer bestimmten Anzahl von Operationen. Diese Richtlinien verringern die Angriffsfläche. Letztlich ist das MCU-Lockbit-Lock nur so stark wie seine physikalische Implementierung. Die Leistungsanalyse zeigt, dass die inneren Mechanismen des Schlosses über seine Stromaufnahme offengelegt werden. Diese Offenlegung ist grundlegend für die CMOS-Technologie. Bis wirklich energieverbergende Schaltungen entstehen, bleiben Seitenkanäle eine kritische Schwachstelle. Die Branche muss standardisierte Bewertungsmethoden übernehmen. Common Criteria und FIPS 140-3 bieten einige Leitlinien. Aber sie sind oft zu langsam, um sich anzupassen. Forscher veröffentlichen jedes Jahr neue Angriffe. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors mit maschinellem Lernen hat in letzter Zeit die Erfolgsquoten verbessert. Das Auslesen von Flash und EEPROM mit KI-gestützter Klassifikation reduziert die Anzahl der Spuren. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung werden nun durch algorithmische Angriffe ergänzt. Das Kopieren von Kryptospeicherinhalten über EM-Seitenkanäle funktioniert sogar durch Vergussmasse hindurch. Reverse Engineering von Mikrocontrollern entwickelt sich zu einer Datenwissenschaft. Die Firmware-Extraktion erfordert keinen direkten Speicherzugriff mehr. Das Lockbit-Lock ist ein sich bewegendes Ziel. Sicherheitsingenieure müssen ihre Bedrohungsmodelle kontinuierlich aktualisieren. Sie müssen davon ausgehen, dass jeder MCU unter Beobachtung steht. Die Leistungsanalyse ist nur ein Fenster in das Innenleben des Schlosses. Weitere sind Timing, Schall und thermische Emissionen. Der umfassende Sicherheitsansatz kombiniert mehrere Ebenen. Physikalische Abschirmung, algorithmische Maskierung und Richtlinienkontrollen. Aber keine einzelne Ebene ist perfekt. Das MCU-Lockbit-Lock wird immer eine gewisse Leckage aufweisen. Das Ziel ist es, die Angriffskosten den Wert des geschützten Vermögenswerts übersteigen zu lassen. Das ist die wirtschaftliche Essenz der Sicherheit. Für geringwertige Vermögenswerte genügen grundlegende Gegenmaßnahmen. Für hochwertige Vermögenswerte sind dedizierte Secure Elements erforderlich. Diese Elemente haben gehärtete Spannungsversorgungen und randomisierte Timings. Sie integrieren auch aktive Abschirmung, die Sondierungen erkennt. Sie sind jedoch teuer. Die meisten IoT-Geräte können sie sich nicht leisten. Also müssen wir mit unvollkommenen Schlössern leben. Und wir müssen kontinuierlich auf neue Seitenkanal-Exploits achten. Die Forschungsgemeinschaft muss auch Open-Source-Testumgebungen entwickeln. Diese ermöglichen es Herstellern, ihre Entwürfe zu validieren. Zusammenfassend untergraben Leistungsanalyse-Angriffe das MCU-Lockbit-Lock, indem sie unvermeidbare physikalische Phänomene ausnutzen. Sie ermöglichen das Auslesen eines EEPROM-Prozessors, das Auslesen von Flash und EEPROM, Dekapsulation und Code-Wiederherstellung (obwohl nicht erforderlich), das Kopieren von Kryptospeicherinhalten und insgesamt Reverse Engineering von Mikrocontrollern und Firmware-Extraktion. Die Bedrohung ist real und allgegenwärtig. Wachsamkeit und Innovation sind die einzigen Verteidigungen.