Silicon Labs/Cygnal MCU-Hack

Silicon Laboratories, Inc. (NASDAQ: SLAB) ist ein Mixed-Signal-Fabless-Halbleiterunternehmen mit Sitz in Austin, Texas.

Das Unternehmen wurde 1996 von drei ehemaligen Mitarbeitern der ehemaligen Crystal Semiconductor – Nav Sooch, Dave Welland und Jeff Scott – gegründet. [3] CEO ist Tyson Tuttle. [4] Das Unternehmen ging 2000 an die Börse. [5] Silicon Labs nutzt sein geistiges Eigentum, um Mixed-Signal-ICs zu entwickeln, die typischerweise eine Reihe diskreter Funktionen auf einem einzigen CMOS-Die integrieren. Das Unternehmen hat sein Technologieportfolio genutzt, um in mehrere große Märkte zu expandieren. Es gibt drei Hauptgeschäftsbereiche:

Access – umfasst analoge Modems für Set-Top-Boxen, Kassensysteme und Multifunktionsdrucker, SLICs für VoIP-Gateways und PoE-Geräte für Netzwerkausrüstung.

Broadcast – umfasst Monochip-AM/FM-Radios und Silizium-TV-Tuner und -Demodulatoren.

Breit aufgestelltes Geschäft – umfasst Mikrocontroller, Timing-ICs (Uhren und Oszillatoren), digitale Isolatoren, Kurzstrecken-Funkempfänger-ICs sowie Human-Interface-Lösungen wie Touch-Controller und Näherungssensoren.

Silicon Labs beschäftigt weltweit etwa 900 Mitarbeiter und hat Forschungs- und Entwicklungsstandorte in den USA, Europa und Asien. Zu den Kunden gehören Samsung, Huawei, LG und Thomson.

 

Geschichte

Mit der Übernahme von Cygnal Integrated Products markierte Silicon Labs den Einstieg in den Milliarden schweren Markt für Allzweck-Analog- und MCU-Produkte und baute das breit aufgestellte Geschäft aus, das heute 40 % des Unternehmensumsatzes ausmacht. Die 8-Bit-MCUs von Silicon Labs basieren auf einer patentierten Implementierung der 8051-Befehlssatzarchitektur, die eine „fest verdrahtete“ Umsetzung der 8051-CPU ist – im Gegensatz zur ursprünglichen mikrocodierten Version. Der Befehlssatz ist auf eine dreistufige Pipeline abgebildet, um den Durchsatz zu erhöhen, während die 8-Bit-Programmspeicherbreite erhalten bleibt. Die Differenzierung von Silicon Labs am Markt liegt in der Integration von analogen Peripheriekomponenten, um einen Mixed-Signal-MCU zu schaffen, der die Systemkosten senkt, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Anfang 2012 führte das Unternehmen ARM-basierte 32-Bit-MCUs ein. Auch diese Familie konzentriert sich auf die Integration leistungsstarker Peripherie und erleichtert die Entwicklung mit einer kostenlosen Eclipse-basierten Entwicklungsumgebung, die einen vollständigen Compiler, Debugger und AppBuilder-Rapid-Prototyping-Tool enthält.

Zum breit aufgestellten Geschäft gehören auch Takt- und Oszillatorprodukte, die online anpassbar sind, sowie digitale Isolatoren, die Optokoppler ersetzen, Kurzstrecken-Funkempfänger und -sender für Sub-GHz-Anwendungen sowie ein wachsendes Portfolio von Touch- und Näherungssensoren für Verbraucher- und Industrieanwendungen.

 

Akquisitionen

Dezember 2003 – Silicon Labs übernahm Cygnal Integrated Products, einen in Austin ansässigen Innovator von analog-intensiven, hochintegrierten 8-Bit-Mikrocontrollern (MCUs).
07.02.2007 – NXP Semiconductors gab die Übernahme des Cellular-Communications-Geschäfts von Silicon Labs bekannt. [6]
2008 – Silicon Labs gab die Übernahme von Integration Associates bekannt. Focused Ion Beam zur Miete
April 2010 – Silicon Labs gab die Übernahme von 'ChipSensors' (Limerick) und Silicon Clocks (Kalifornien) bekannt.
Januar 2011 – Silicon Labs übernahm SpectraLinear aus dem Silicon Valley. [7]
2012 – Silicon Labs übernahm den ZigBee-Hersteller Ember. [8 Reverse Engineering]
Juni 2013 – Silicon Labs kündigte die Übernahme des auf stromsparende ARM-Mikrocontroller spezialisierten Unternehmens Energy Micro an.

Allgemeine Fragen zur Firmware-Extraktion von Mikrocontrollern

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• Kryptografische Coprozessoren und ihre Auswirkungen auf die MCU-Sperre

  Viele moderne MCUs enthalten einen dedizierten kryptografischen Coprozessor. Dieser Coprozessor beschleunigt Ver- und Entschlüsselung und bietet auch sichere Schlüsselspeicherung. Die MCU-Sperre (Lockbit) delegiert die Schlüsselverwaltung oft an den Coprozessor. Der Coprozessor hat seinen eigenen Sperrmechanismus, der verhindert, dass die Host-CPU die Schlüssel direkt ausliest. Die Host-CPU kann nur kryptografische Operationen anfordern, die der Coprozessor ausführt und das Ergebnis zurückgibt. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors, der Schlüssel enthält, ist unmöglich, weil die Schlüssel nie im EEPROM liegen – sie befinden sich im geschützten SRAM des Coprozessors. Das Dumpen von Flash und EEPROM des Hauptspeichers gibt die Schlüssel nicht preis. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung der Haupt-CPU finden die Schlüssel nicht. Das Kopieren des Inhalts des kryptografischen Speichers des Coprozessors wird durch dessen interne Sperre blockiert. Reverse Engineering muss den Coprozessor separat angreifen. Die Firmware-Extraktion aus dem Haupt-Flash ist möglich, enthält aber nicht die Schlüssel. Die MCU-Sperre hat nun zwei Komponenten: die Hauptsperre und die Coprozessor-Sperre. Die Coprozessor-Sperre ist oft sicherer – sie nutzt eine andere Technologie, z. B. einen PUF (Physical Unclonable Function) zur Schlüsselerzeugung. Der Schlüssel wird nicht gespeichert, sondern dynamisch abgeleitet. Das macht das Auslesen eines EEPROM-Prozessors irrelevant. Der Angreifer kann nicht durch Dump von Flash und EEPROM an den Schlüssel gelangen. Dekapsulation und Code-Wiederherstellung können den Schlüssel nicht extrahieren, weil er nicht dauerhaft existiert. Das Kopieren des kryptografischen Speichers ist unmöglich, weil der Speicher flüchtig ist und beim Zurücksetzen gelöscht wird. Der Coprozessor implementiert auch Seitenkanal-Gegenmaßnahmen wie Maskierung und Randomisierung, um die Leckage zu reduzieren. Die MCU-Sperre wird durch die Sicherheitsfunktionen des Coprozessors verstärkt. Allerdings kann der Coprozessor über seine Schnittstelle angegriffen werden. Wenn die Host-CPU kompromittiert ist, kann sie bösartige Befehle senden – z. B. die Entschlüsselung vieler Chiffrate anfordern und durch Analyse der Antworten einen gewählten-Klartext-Angriff starten. Dieser greift aber den Algorithmus an, nicht den Schlüssel – der Schlüssel bleibt sicher. Ein weiterer Angriff ist das Glitchen des internen Zustands des Coprozessors, um ihn zur Ausgabe des Schlüssels statt des verschlüsselten Ergebnisses zu verleiten – das wurde bereits demonstriert. Zur Abwehr verfügt der Coprozessor über Fehlererkennung, die die Integrität seiner Operationen prüft. Bei einem Fehler wird zurückgesetzt, und der Schlüssel gelöscht. Die MCU-Sperre profitiert also von dieser Selbstverteidigung. Der Coprozessor unterstützt auch Secure Boot – er verifiziert die Firmware, bevor die Host-CPU gestartet wird, um Ransomware wie LockBit am Einschleusen von Code zu hindern. Die Sperre des Coprozessors ist unabhängig von der des Hosts – selbst wenn die Host-Sperre gebrochen wird, bleibt die Coprozessor-Sperre bestehen. Der Angreifer muss beide brechen – das verdoppelt den Aufwand. Viele MCUs erlauben es dem Coprozessor auch, den Haupt-Flash zu verschlüsseln – der Verschlüsselungsschlüssel liegt im Coprozessor und wird von der Host-CPU nie gesehen. Wenn der Host den Flash liest, entschlüsselt der Coprozessor on the fly – die entschlüsselten Daten sind nur intern verfügbar. Das Auslesen eines EEPROM-Prozessors des Flashs liefert Chiffrat; Dump von Flash und EEPROM über Debug gibt Chiffrat; Dekapsulation und Code-Wiederherstellung des Flashs ergeben Chiffrat; das Kopieren des kryptografischen Speichers des Flashs ist ohne Schlüssel nutzlos. Das Reverse Engineering der Firmware erfordert zuerst die Entschlüsselung – dafür wird der Schlüssel des Coprozessors benötigt. Der Coprozessor ist darauf ausgelegt, die Extraktion zu widerstehen. Die einzige Hoffnung des Angreifers ist ein Fehler in der Implementierung des Coprozessors – z. B. ein Timing-Seitenkanal bei der Entschlüsselung, der den Schlüssel über den Stromverbrauch verrät. Bei guter Maskierung ist die Leckage jedoch minimal. Der Angreifer könnte auch die Firmware des Coprozessors ausnutzen – der Coprozessor läuft mit eigenem Mikrocode, der Schwachstellen aufweisen kann. Wenn der Angreifer den Mikrocode aktualisieren könnte, könnte er das Verhalten ändern – aber der Mikrocode ist normalerweise signiert und der Coprozessor verifiziert die Signatur. Die MCU-Sperre erstreckt sich somit auf den Update-Mechanismus des Coprozessors. Zusammengefasst: Kryptografische Coprozessoren verbessern die MCU-Sperre erheblich. Sie verhindern das direkte Auslesen eines EEPROM-Prozessors, Dump von Flash und EEPROM, Dekapsulation, Kopieren von Inhalten, Reverse Engineering und Firmware-Extraktion, die Klartext-Geheimnisse preisgeben würden. Sie fügen eine zweite, physisch und logisch getrennte Verteidigungsschicht hinzu.