NXP/Philips Mikrocontroller-Hack

NXP Semiconductors gehört zu den weltweit 20 größten Halbleiterunternehmen und wurde ursprünglich 1953 gegründet, als der Philips-Vorstand beschloss, eine Halbleitersparte mit Fertigung und Entwicklung in Nijmegen (Niederlande) zu starten. Das Unternehmen war früher als Philips Semiconductors bekannt und wurde 2006 von Philips an ein Konsortium von Private-Equity-Investoren verkauft. Der neue Name NXP stand laut dem damaligen CEO Frans van Houten für die „next experience“ des Verbrauchers. Am 6. August 2010 schloss NXP seinen Börsengang ab und handelt seitdem unter dem Tickersymbol NXPI an der NASDAQ.

 

NXP Semiconductors bietet leistungsstarke Mixed-Signal- und Standardproduktlösungen auf Basis seiner RF-, Analog-, Power-Management-, Interface-, Sicherheits- und Digitalverarbeitungskompetenz. Informell hat NXP seine Strategie als Fokus auf „Produkte ohne großen Chip in der Mitte“ beschrieben. Diese Halbleiter werden in einer Vielzahl von „intelligenten“ Automobil-, Identifikations-, drahtlosen Infrastruktur-, Beleuchtungs-, Industrie-, Mobil-, Consumer- und Computeranwendungen eingesetzt. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Eindhoven (Niederlande) und beschäftigt etwa 24.000 Mitarbeiter in mehr als 25 Ländern – darunter 3.300 in Forschung & Entwicklung – und erzielte 2012 einen Umsatz von 4,358 Milliarden US-Dollar. Der umsatzbasierte Umsatz von NXP in Großchina ist doppelt so hoch wie in Europa, und 8.000 der Mitarbeiter des Unternehmens sind in China tätig.

NXP ist neben Sony Miterfinder der Nahfeldkommunikationstechnologie (NFC) und liefert NFC-Chipsätze, die es Mobiltelefonen ermöglichen, für Waren zu bezahlen und Daten sicher zu speichern und auszutauschen. NXP belegt Platz 1 bei Chips für E-Government-Anwendungen wie elektronische Pässe; Platz 1 bei Transport- und Zutrittsmanagement mit dem Chipsatz und der kontaktlosen Karte für MIFARE, die von vielen großen öffentlichen Verkehrssystemen weltweit genutzt wird; und ist Platz 1 bei RFID-Tags und -Etiketten.

Darüber hinaus ist NXP in vielen weiteren Bereichen weltweiter Marktführer, darunter Automobilchips für Fahrzeugvernetzung, passiv schlüssellosen Zugang und Wegfahrsperren sowie Autoradios sowie Siliziumtuner für den TV- und Set-Top-Box-Markt. Bis Februar 2011 hatte NXP über eine Milliarde ARM-Prozessor-basierte Chips ausgeliefert, und mit seinen LPC-Mikrocontrollern ist NXP der einzige Anbieter von Mikrocontrollern mit einer Roadmap, die ausschließlich auf der 32-Bit-ARM-Architektur basiert. NXP hat die I²C-Schnittstelle vor über 30 Jahren erfunden und ist der weltweit führende Anbieter von I²C-Lösungen. NXP ist außerdem der größte Volumenlieferant von Standard-Logikbausteinen und feierte im März 2012 sein 50-jähriges Bestehen in der Logik (über seine Geschichte als Signetics und Philips Semiconductors).

Laut CEO Rick Clemmer umfassen die wichtigsten Wachstumsbereiche von NXP die energieeffiziente GreenChip-Technologie, drahtlos gesteuerte intelligente Beleuchtung, Authentifizierungstechnologie und Lösungen für das Smart Home oder den Markt für Gebäudeautomation. NXP ist auch im Bereich Sensoren für verschiedene Anwendungen wie Automobil, Haushaltsgeräte, industrielle Automatisierung und Gebäudeautomation tätig. NXP besitzt derzeit etwa 11.000 erteilte oder anhängige Patente.

 

Geschichte

Philips Semiconductors

Die Philips-Forschungslabore waren seit den späten 1940er Jahren in der Halbleiterforschung tätig und entwickelten 1949 ihren ersten Spitzenkontakttransistor. Am 25. Juni 1953 beschloss das Philips-Management, eine Halbleiteroperation mit Fertigung und Entwicklung in Nijmegen (Niederlande) zu starten. Von den 1950er Jahren bis 1990 wurden die meisten Halbleiteraktivitäten von Philips in einer Produktdivision namens Electronic Materials and Components – Elcoma durchgeführt.

Das im Silicon Valley ansässige Signetics, das „erste Unternehmen der Welt, das ausdrücklich zur Herstellung und zum Verkauf von integrierten Schaltungen gegründet wurde“ und Erfinder des 555-Timer-ICs, wurde 1975 von Philips übernommen. Damals hieß es, dass „mit der Übernahme von Signetics Philips nun Platz zwei in der Weltrangliste der Halbleiterhersteller einnahm“. 1987 war Philips-Signetics, eine Einheit von Philips, mit einem Umsatz von 1,36 Milliarden US-Dollar im Jahr 1986 Europas größter Halbleiterhersteller.

Philips übernahm im Juni 1999 VLSI Technology. Zu dieser Zeit machte die Übernahme Philips zum sechstgrößten Halbleiterunternehmen der Welt.

Im Dezember 2005 kündigte Philips seine Absicht an, seine Halbleitersparte Philips Semiconductors rechtlich in eine unabhängige Einheit auszugliedern.

Im September 2006 verkaufte Philips einen Anteil von 80,1 % an Philips Semiconductors an ein Konsortium von Private-Equity-Investoren, bestehend aus Kohlberg Kravis Roberts (KKR), Bain Capital, Silver Lake Partners, Apax Partners und AlpInvest Partners.

 

Namensänderung und Ausgliederung von Philips

Der neue Unternehmensname NXP wurde am 31. August 2006 bekannt gegeben und offiziell auf der Internationalen Funkausstellung (IFA) in Berlin eingeführt. Das neu unabhängige NXP wurde als eines der weltweit zehn größten Halbleiterunternehmen eingestuft. Damals betonte CEO Frans van Houten die Bedeutung von NXP für die Ermöglichung von „vibranten Medien“-Technologien in Mobiltelefonen, Digitalfernsehern, tragbaren Musikplayern und anderen Unterhaltungselektronikgeräten.

Die erste Akquisition von NXP als unabhängiges Unternehmen erfolgte 2007, als NXP ankündigte, die AeroFONE-Einzelchip-Telefon- und Leistungsverstärker-Produktlinien von Silicon Laboratories zu übernehmen, um sein Mobil- und Personalgeschäft zu stärken. Vierzehn Monate später kündigte NXP an, seine Mobil- und Personal-Geschäftseinheit in ein Joint Venture mit STMicroelectronics umzuwandeln, das 2009 zu ST-Ericsson wurde, einem 50/50-Joint-Venture von Ericsson Mobile Platforms und STMicroelectronics, nachdem ST den 20-Prozent-Anteil von NXP übernommen hatte.

Im April 2008 kündigte NXP ebenfalls an, das Set-Top-Box-Geschäft von Conexant zu übernehmen, um sein bestehendes Home-Geschäft zu ergänzen. Im Oktober 2009 gab NXP bekannt, dass es seine Home-Geschäftseinheit an Trident Microsystems verkaufen würde.

Im September 2008 kündigte NXP an, seine Fertigungs-, F&E- und Backoffice-Operationen umzustrukturieren, was zu 4.500 Stellenstreichungen weltweit führen sollte, um jährlich 550 Millionen US-Dollar einzusparen.

 

Fokus auf leistungsstarke Mixed-Signal- und Standardprodukte

Der derzeitige Präsident und CEO Rick Clemmer übernahm am 1. Januar 2009 die Nachfolge von Frans van Houten. Clemmer hat die Bedeutung von „leistungsstarken Mixed-Signal“-Produkten als zentralen Schwerpunkt für NXP betont. Im Jahr 2011 machten „Standardprodukte“ einschließlich Komponenten wie Kleinsignal-, Leistungs- und integrierte diskrete Bauelemente 30 Prozent des NXP-Geschäfts aus.

Am 26. Juli 2010 gab NXP bekannt, dass es Jennic mit Sitz in Sheffield (UK) übernommen hat, das heute als Teil seiner Produktlinie Smart Home and Energy tätig ist und drahtlose Konnektivitätslösungen auf Basis von ZigBee und JenNet-IP anbietet.

Am 6. August 2010 gab NXP seinen Börsengang an der NASDAQ bekannt, mit 34.000.000 Aktien zu je 14 US-Dollar.

Im Dezember 2010 kündigte NXP an, sein Sound-Solutions-Geschäft für 855 Millionen US-Dollar in bar an Knowles Electronics, eine Tochtergesellschaft der Dover Corporation, zu verkaufen. Die Übernahme wurde am 5. Juli 2011 abgeschlossen.

Im April 2012 gab NXP seine Absicht bekannt, das elektronische Designberatungsunternehmen Catena zu übernehmen, um an Automobilanwendungen zu arbeiten und von der wachsenden Nachfrage nach Emissionsreduzierung und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-, Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Fahrer-Kommunikation zu profitieren.

Im Juli 2012 verkaufte NXP seine Hochgeschwindigkeits-Datenkonverter-Assets an Integrated Device Technology.

Im Jahr 2012 betrug der Umsatz der Identification-Geschäftseinheit von NXP 986 Millionen US-Dollar, ein Anstieg von 41 % gegenüber 2011, was teilweise auf das wachsende Geschäft mit NFC-Chips und Secure Elements zurückzuführen war.

Am 4. Januar 2013 gaben NXP und Cisco ihre Investition in Cohda Wireless bekannt, ein australisches Unternehmen, das sich auf Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation konzentriert.

Im Januar 2013 kündigte NXP weltweit 700–900 Stellenstreichungen an, um Kosten im Zusammenhang mit „Support-Diensten“ zu senken.
Im Mai 2013 gab NXP bekannt, dass es Code Red Technologies übernommen hat, einen Anbieter von eingebetteter Softwareentwicklung wie der LPCXpresso-IDE und Red Suite.

 

Hauptmärkte

NXP bietet leistungsstarke Mixed-Signal- und Standardproduktlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter:
Automobil
Identifikation
Drahtlose Infrastruktur
Beleuchtung
Industrie
Mobil
Consumer
Computer

 

Weltweite Standorte

NXP-Hauptsitz in Eindhoven, Niederlande, Juli 2011

NXP LPC1114 im 33-poligen HVQFN-Gehäuse und LPC1343 im 48-poligen LQFP-Gehäuse, beide ARM-Cortex-M-Mikrocontroller
Der globale Hauptsitz von NXP Semiconductors befindet sich in Eindhoven (Niederlande). Das Unternehmen ist in mehr als 25 Ländern tätig, mit Konstruktionsteams an 19 Standorten weltweit.

NXP verfügt derzeit über 11 Fertigungsstandorte, mit sechs Test- und Montagestandorten und sechs Wafer-Fabs:

Test und Montage
Bangkok, Thailand
Cabuyao City, Philippinen
Guangdong, China
Hongkong, China
Kaohsiung, Taiwan
Seremban, Malaysia
Wafer-Fabs
Hamburg, Deutschland
Jilin, China
Manchester, Vereinigtes Königreich
Nijmegen, Niederlande (2 Fabs)
Singapur

Allgemeine Fragen zur Mikrocontroller-Firmware-Extraktion

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• Schutz von EEPROM und Flash vor unbefugtem Auslesen

  Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors und die Fähigkeit, Flash- und EEPROM-Dumps zu erstellen, sind primäre Ziele jedes Angreifers. Die MCU-Lockbit-Sperre wurde speziell entwickelt, um diese Operationen zu blockieren. Aber wie funktioniert das in der Praxis? Typischerweise wird nach der Programmierung eine Sicherung oder eFuse durchgebrannt. Diese Sicherung deaktiviert externe Lesebefehle. Die Speichersteuerung des MCU prüft diese Sicherung, bevor sie einen Zugriff zulässt. Wenn die Sicherung durchgebrannt ist, gibt die Steuerung Müll zurück oder bricht ab. Die Sicherung kann jedoch umgangen werden. Beispielsweise kann ein Spannungsglitch die Steuerung glauben lassen, die Sicherung sei nicht durchgebrannt. Der Angreifer kann dann den Speicher auslesen. Um dies zu verhindern, verwenden einige MCUs mehrere Sicherungen in einem Abstimmungsschema. Zwei von drei Sicherungen müssen übereinstimmen. Das macht Glitching schwieriger. Außerdem kann die Sicherungs-Leseschaltung so ausgelegt werden, dass sie unempfindlich gegen Spannungseinbrüche ist. Sie verwendet eine Bandgap-Referenz. Die Bandgap liefert eine stabile Spannung. Die MCU-Lockbit-Sperre enthält auch ein Zeitfenster. Lesebefehle sind nur in einem bestimmten Fenster nach dem Reset erlaubt. Außerhalb dieses Fensters werden sie ignoriert. Der Angreifer muss seinen Dump genau timen. Das verringert die Erfolgschance der Extraktion. Eine weitere Technik ist die Verschlüsselung des Speicherbusses. Selbst wenn der Angreifer Flash- und EEPROM-Dumps erstellt, sind die Daten verschlüsselt. Der Entschlüsselungsschlüssel wird in einem separaten Bereich gespeichert, der nicht lesbar ist. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors ist nur möglich, wenn auch der Schlüssel gelesen wird. Der Schlüsselbereich hat jedoch seine eigene Sperre. Die Schlüsselsperre ist unabhängig von der Hauptsperre. Das ist ein Zwei-Faktor-Schutz. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung können die Metallschichten freilegen. Wenn der Speicher jedoch differentielles Abtasten verwendet, sind die Bitwerte nicht offensichtlich. Der Angreifer muss mehrere Knoten abtasten. Das Kopieren des Inhalts von Crypto-Speicher wird zu einer komplexen Aufgabe. Das Reverse-Engineering des Mikrocontrollers muss die Verschlüsselungslogik rekonstruieren. Die Firmware-Extraktion liefert Chiffrat. Ohne den Schlüssel ist es nutzlos. Einige MCUs implementieren auch einen Ausleseschutz, der den gesamten Speicher dauerhaft deaktiviert, wenn Manipulation erkannt wird. Dies wird als „sicheres Löschen“ oder „Nullisierung“ bezeichnet. Die MCU-Lockbit-Sperre löst dieses Löschen aus, wenn ein Angriff vermutet wird. Wenn beispielsweise der Temperatursensor einen Laserstrahl erkennt, löscht sich der Chip selbst. Das ist eine aktive Verteidigung. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors wird verhindert, weil der EEPROM gelöscht wird. Dump-Flash- und EEPROM-Versuche ergeben nur Nullen. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung zeigen gelöschte Zellen. Das Kopieren des Inhalts von Crypto-Speicher ist unmöglich. Reverse-Engineering des Mikrocontrollers findet nichts. Firmware-Extraktion liefert leere Daten. Das ist der ultimative Schutz. Falsche Auslösungen können das Gerät jedoch unbrauchbar machen. Die Schwelle muss daher hoch sein. Die MCU-Lockbit-Sperre enthält auch ein passwortgeschütztes Auslesen. Das Passwort ist ein 128-Bit-Geheimnis. Der Angreifer muss es erraten. Brute-Force ist nicht durchführbar. Seitenkanalangriffe auf die Passwortprüfung können es jedoch verraten. Die Prüfung muss daher zeitkonstant sein. Viele MCUs implementieren eine feste Verzögerung, unabhängig von der Korrektheit des Passworts. Das verhindert Timing-Angriffe. Die Lockbit-Sperre begrenzt auch die Anzahl der fehlgeschlagenen Versuche. Nach wenigen Fehlversuchen blockiert die Sperre das Auslesen dauerhaft. Das ähnelt einer SIM-PIN. Die MCU-Lockbit-Sperre kann auch so konfiguriert werden, dass sie einen physischen Schlüssel erfordert. Der Schlüssel ist ein Dongle, der an einen dedizierten Pin angeschlossen wird. Ohne den Dongle ist das Auslesen deaktiviert. Das ist in Industrieanlagen üblich. Der Dongle enthält ein Geheimnis, das der MCU verifiziert. Die Verifizierung erfolgt über eine Challenge-Response. Die Antwort wird mit einem geheimen Algorithmus berechnet. Der Algorithmus ist in Hardware implementiert. Der Angreifer kann ihn nicht kopieren. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors ist nur nach erfolgreicher Authentifizierung erlaubt. Dump-Flash und EEPROM ebenso. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung sind nutzlos, weil die Authentifizierung auf dem Dongle basiert. Der Dongle ist extern. Die MCU-Lockbit-Sperre ist nun Teil eines größeren Ökosystems. Das Kopieren des Inhalts von Crypto-Speicher des MCU allein verrät nicht das Geheimnis. Reverse-Engineering des Mikrocontrollers muss auch den Dongle reversieren. Das ist viel schwieriger. Firmware-Extraktion ist weiterhin möglich, aber die Firmware hängt vom Dongle ab. Ohne den Dongle läuft die Firmware nicht. Der Angreifer gewinnt also nichts. Die MCU-Lockbit-Sperre kann also mit externer Authentifizierung verstärkt werden. Zusammenfassend erfordert der Schutz von EEPROM und Flash vor unbefugtem Auslesen eine Kombination aus Sicherungen, Verschlüsselung, Zeitfenstern, aktiver Manipulationsreaktion, Passwortbegrenzungen und externen Schlüsseln. Die MCU-Lockbit-Sperre ist die zentrale Steuerung. Sie muss robust sein gegen physikalische, elektrische und logische Angriffe. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors, Dump-Flash und EEPROM, Dekapsulation und Code-Wiederherstellung, Kopieren des Inhalts von Crypto-Speicher, Reverse-Engineering des Mikrocontrollers und Firmware-Extraktion werden alle von einer gut gestalteten Sperre vereitelt.