Обратная разработка MCU

Мы хотели оставить вам фрагмент логики, извлечённой из старого микроконтроллера серии PIC16C. Мы хотим, чтобы вы догадались, в каком(их) микроконтроллере(ях) можно найти этот вентиль (вернее, пару вентилей).

Безопасность встраиваемых систем часто держится на нескольких защитных цепях, скрытых глубоко в кремнии. В мире микроконтроллеров борьба между защитой кода и обратной разработкой представляет собой постоянную гонку вооружений. Эта конкретная структура И-вентиля — не просто логический примитив; это краеугольный камень всего механизма блокировки для целого семейства популярных МК. Когда мы исследуем эту схему, мы по сути смотрим на физическое воплощение модели доверия микроконтроллера. Каждая операция считывания из программной памяти должна пройти через окончательный вердикт этого вентиля. Команда разработчиков Microchip явно вложила значительные усилия в то, чтобы любая попытка дампа содержимого флэш-памяти была заблокирована именно этой структурой.

Выше мы говорили о структуре И-вентиля, выполненного в кремниевой КМОП-технологии. Теперь мы покажем вам, как этот И-вентиль был использован в Microchip PIC, таких как PIC16C558, PIC16C620, PIC16C621, PIC16C622 и многих других.

Прежде чем углубиться, важно понять более широкий контекст извлечения прошивки из этих устройств. Многие инженеры и исследователи безопасности потратили бесчисленные часы, пытаясь обойти механизм блокировки на этих PIC-микроконтроллерах. Система блокировки была разработана для предотвращения несанкционированного считывания проприетарного кода, фактически действуя как цифровая крепость вокруг интеллектуальной собственности программиста. Однако, как мы увидим, даже самая тщательно спроектированная крепость имеет свои слабые места. Физическая компоновка перемычек и трассировка критических сигналов могут непреднамеренно создавать уязвимости, которые квалифицированные злоумышленники могут использовать. Процесс декапсуляции часто является первым шагом в этом путешествии, раскрывая сложные детали кристалла под микроскопом. После того как микросхема вскрыта, начинается настоящая детективная работа — трассировка каждой металлической дорожки и поликремниевого пути, чтобы понять, как защитные перемычки взаимодействуют с остальной логикой.

Если вы хотите определить, относится ли эта статья к конкретному PIC, который у вас есть, вы можете взять оконный OTP-компонент (/JW) и установить биты блокировки. Если после 10 минут под УФ-излучением он всё ещё будет показывать, что заблокирован, эта статья применима к вашему PIC.

Этот тест фактически является диагностикой для конкретного поколения реализации безопасности. Тот факт, что УФ-облучение не сбрасывает блокировку, указывает на то, что перемычки не являются традиционным типом с плавающим затвором, который можно стереть ультрафиолетом. Вместо этого эти устройства используют более сложную схему блокировки, объединяющую несколько элементов перемычек в логическую сеть. И-вентили, которые мы изучали, отвечают за оценку состояния этих перемычек. Только когда все отдельные биты блокировки находятся в стёртом состоянии (логическая '1'), вентиль выдаёт '1', сигнализируя о том, что устройство разблокировано и готово к операциям считывания. Этот многофакторный подход к безопасности заслуживает похвалы, но он также создаёт единую точку отказа в выходном узле И-вентиля. Злоумышленник, который может манипулировать этим узлом, может эффективно обойти всю систему безопасности, независимо от состояния отдельных перемычек.

ЕСЛИ КОМПОНЕНТ ОСТАЁТСЯ ЗАБЛОКИРОВАННЫМ, ЕГО НЕЛЬЗЯ РАЗБЛОКИРОВАТЬ, ПОЭТОМУ ТЕСТИРУЙТЕ НА СВОЙ СТРАХ И РИСК.

На изображении выше показан кристалл PIC16C558, увеличенный в 100 раз. PIC16C620-622 выглядят практически одинаково. Если после последнего номера есть буквы, кристалл, скорее всего, «уменьшен» (например, PIC16C622 против PIC16C622A).

Уменьшение кристалла — обычная практика в полупроводниковой промышленности, часто используемая для снижения производственных затрат и повышения производительности. Однако уменьшение кристалла иногда может создавать новые проблемы для безопасности, так как меньшие размеры элементов усложняют визуальный осмотр схемы на предмет потенциальных слабых мест. С другой стороны, меньшая геометрия также может сделать физические атаки, такие как модификация сфокусированным ионным пучком (FIB), более сложными из-за более жестких допусков. PIC16C558 и его собратья были изготовлены по зрелому технологическому процессу, который позволял относительно простую оптическую инспекцию. Это одна из причин, почему эти устройства были так тщательно изучены сообществом обратной разработки за эти годы. Знания, полученные при анализе этих микросхем, повлияли на проектирование последующих поколений защищённых микроконтроллеров, создав ценный цикл обратной связи для отрасли.

Наша область интереса выделена выше вместе с увеличением этой области.

При увеличении в 500 раз всё становится ясно. Обратите внимание, что верхний металл (M2) закрывает наш ДВОЙНОЙ 2-входовой И-вентиль в красном прямоугольнике выше.

При таком увеличении архитектура безопасности начинает раскрывать свои секреты. Верхний металлический слой служит не только соединением, но и физическим барьером, предотвращающим попадание УФ-излучения на нижележащие структуры перемычек. Это преднамеренное конструктивное решение, чтобы предотвратить простые оптические атаки, основанные на стирании перемычек через окно корпуса. Инженеры Microchip понимали, что OTP-устройство с оконным корпусом может быть уязвимо для УФ-стирания, поэтому они добавили металлическое экранирование для защиты критических перемычек. Однако это экранирование также усложняет легитимное восстановление кода в случае забытого пароля или неправильно настроенной блокировки. Компромисс между безопасностью и удобством использования всегда является тонким балансом при проектировании любого микроконтроллера.

Ранее мы показывали вам одну половину вышеуказанной области. Теперь вы можете видеть, что здесь есть пара 2-входовых И-вентилей. Это было сделано для взлома печатных плат, чтобы предложить два бита блокировки для областей памяти (читайте даташит о специальных возможностях ЦП).

[Примечание: Нажатие на изображения откроет большой файл]

Удаление верхнего металла (M2) теперь ясно показывает нам шины от двух разных областей, обеспечивающие безопасность компонента. Microchip пошла дальше, закрыв плавающий затвор основных легко обнаруживаемых перемычек металлом, чтобы предотвратить УФ-стирание заблокированного состояния. Выходы этих двух перемычек также поступают в логику слева на изображении, чтобы сообщить, что компонент заблокирован, при обратном считывании конфигурационных перемычек.

Сеть шин, видимая после удаления M2, особенно показательна. Она показывает, как два бита блокировки маршрутизируются к И-вентилям, а затем к логике включения считывания. Такой анализ топологии является фундаментальной техникой в полупроводниковой обратной разработке, позволяя исследователям восстановить функциональность схемы без исходных принципиальных схем. Тщательно прослеживая каждую металлическую линию и идентифицируя транзисторы, к которым они подключены, можно построить полную картину подсистемы безопасности. Тот факт, что выходы перемычек проходят через несколько слоёв металла, затрудняет их непосредственное зондирование с помощью микроскопа или сфокусированного ионного пучка. Однако, как мы увидим, заключительный каскад И-вентиля представляет собой гораздо более доступную цель для физической атаки.

Этот тип перемычек защищён несколькими установленными перемычками, из которых только некоторые стираются УФ-излучением. И-вентили гарантируют, что все перемычки стёрты до '1', чтобы «разблокировать» устройство.

Рассмотрим последствия этой конструкции с точки зрения исследователя безопасности, пытающегося выполнить извлечение прошивки. Первый шаг в любом таком начинании — понять точную последовательность событий, которая приводит к разблокировке устройства при нормальной работе. Биты блокировки обычно программируются на заводе или конечным пользователем с помощью программатора. После установки эти перемычки предотвращают любое внешнее считывание программной памяти, включая код и данные, хранящиеся в EEPROM. И-вентили служат последним арбитром состояния блокировки, объединяя выходы всех отдельных перемычек в единый сигнал разблокировки. Если злоумышленник может принудительно установить этот сигнал в логическую '1', вся система безопасности рушится, открывая неограниченный доступ к содержимому устройства. Именно поэтому физическое расположение и трассировка И-вентилей имеют такое первостепенное значение при анализе любого защищённого микроконтроллера.

Что это означает для злоумышленника? Это означает: нацельтесь на финальный И-вентиль, если хотите принудительно разблокировать ЦП. Выходы финального каскада И-вентиля проходят под VDD!! (Большая ошибка, допущенная Microchip). Два выстрела лазерным резаком — и мы можем замкнуть выходные каскады «Y» И-вентиля на логическую '1', что позволит считывать память (компонент всё ещё будет показывать, что он заблокирован).

Эта уязвимость является классическим примером того, как, казалось бы, незначительное решение по топологии может иметь катастрофические последствия для безопасности. Прокладывая критический выход И-вентиля под шиной питания VDD, Microchip непреднамеренно сделала возможным для злоумышленника принудительно установить выход в высокое состояние с помощью простого лазерного реза или модификации сфокусированным ионным пучком. Техника заключается в использовании лазерного резака для создания короткого замыкания между выходом И-вентиля и шиной VDD, фактически переопределяя логическую функцию вентиля. После выполнения этой модификации устройство будет вести себя так, как будто биты блокировки сброшены, даже если сами перемычки остаются запрограммированными. Это позволяет злоумышленнику выполнить полное считывание программной памяти, включая код и любые встроенные константы. Компонент всё ещё будет сообщать о себе как о заблокированном при опросе, но фактическое содержимое памяти теперь может быть выгружено без каких-либо дальнейших препятствий. Этот тип атаки часто называют «аппаратным сбоем» или «инжекцией ошибок», и он подчёркивает важность безопасных методов топологии при проектировании критически важных систем.

Удаление нижнего металлического слоя (M1) открывает слой поликремния.

Слой поликремния представляет собой фактические затворы транзисторов, из которых состоят логические вентили. При таком увеличении можно увидеть отдельные транзисторные структуры, образующие вентили И-НЕ и инверторы, которые мы идентифицировали ранее. Рисунок поликремния является прямым отражением схемотехники, и опытные специалисты по обратной разработке часто могут восстановить всю принципиальную схему только по этим изображениям. Выравнивание поликремния с диффузионными слоями определяет канальные области МОП-транзисторов, а контакты между поликремнием и металлом определяют межсоединения. Тщательно анализируя эти слои, исследователи могут проверить функциональность схемы и подтвердить своё понимание механизма безопасности. В случае PIC16C558 слой поликремния подтверждает, что И-вентили действительно построены из вентиля И-НЕ с последующим инвертором, как мы и подозревали по изображениям верхних металлических слоёв.

Что мы узнали из всего этого?

• Много времени и усилий было вложено в проектирование этой серии механизмов безопасности.
• Это самые защищённые Microchip PIC из всех доступных на сегодняшний день. Новейшие ~350-400 нм PIC с 3-4 металлическими слоями менее защищены, чем эти.
• Всё, что создано человеком, может быть разобрано человеком!

Безопасность этих старых PIC-микроконтроллеров не абсолютна, но она значительно сильнее, чем многие предполагают. Многослойное металлическое экранирование, использование И-вентилей для объединения нескольких перемычек и тщательное размещение критической логики — всё это способствует созданию надёжной архитектуры безопасности. Однако, как и в любой системе безопасности, всегда есть компромиссы между стоимостью, производительностью и защитой. Тот факт, что выход И-вентиля проходит под VDD, является явным упущением, но он также напоминает нам, что даже самые сложные конструкции могут иметь скрытые уязвимости. Сообщество обратной разработки изучало эти устройства в течение десятилетий, и полученные знания помогли улучшить безопасность последующих поколений микроконтроллеров. Сегодняшние защищённые МК используют более продвинутые методы, такие как активное экранирование, вставка случайных задержек и криптографическая аутентификация для защиты от физических атак.

Для исследователей безопасности и инженеров встраиваемых систем уроки, извлечённые из серии PIC16C558, по-прежнему крайне актуальны. Понимание физической реализации механизмов безопасности необходимо для проектирования систем, способных противостоять решительным противникам. Методы декапсуляции, визуализации и анализа топологии остаются мощными инструментами в арсенале любого, кто работает с защищённым оборудованием. Более того, постоянная игра в кошки-мышки между атакующими и защитниками стимулирует инновации как в методах атак, так и в контрмерах. В следующий раз, когда вы столкнётесь с защищённым микроконтроллером, помните, что его безопасность сильна настолько, насколько сильно его слабое физическое звено. И-вентиль, который мы сегодня изучили, является идеальным примером того, как одна структурная слабость может подорвать в остальном хорошо продуманную архитектуру безопасности.

При выполнении извлечения прошивки из этих устройств злоумышленник должен рассмотреть все возможные векторы атак, включая анализ побочных каналов, инжекцию ошибок и прямое физическое изменение. Механизм блокировки PIC16C558 уязвим для последнего, но другие устройства могут быть более восприимчивы к атакам по времени или анализу мощности. Разнообразие методов атак отражает креативность и настойчивость сообщества обратной разработки. Во многих случаях наиболее эффективным подходом является комбинирование нескольких методов для достижения желаемого результата. Например, злоумышленник может сначала использовать декапсуляцию для вскрытия кристалла, затем использовать оптическую визуализацию для идентификации логики безопасности и, наконец, использовать лазерный резак для модификации схемы. Этот многоэтапный процесс требует высокого уровня мастерства и специализированного оборудования, но он вполне доступен для специализированных лабораторий и хорошо финансируемых исследовательских групп.

Одним из наиболее интригующих аспектов этого механизма безопасности является использование двух отдельных И-вентилей для двух битов блокировки. Это предполагает, что устройство имеет отдельные области безопасности, возможно, для программной памяти и конфигурационных перемычек или для разных банков EEPROM. В даташите для этих PIC упоминаются «специальные возможности ЦП», включающие настраиваемую защиту кода, но детали намеренно расплывчаты, чтобы отпугнуть случайные попытки обхода. Конструкция с двумя вентилями гарантирует, что злоумышленник не сможет просто стереть один набор перемычек и ожидать разблокировки устройства; оба набора должны быть сброшены одновременно. Это добавляет дополнительный уровень сложности атаке, так как злоумышленник должен либо найти способ сбросить все перемычки, либо обойти И-вентили полностью. Как мы видели, обход И-вентилей путём принудительной установки их выходов в высокое состояние является более практичным подходом, чем попытка стереть сами перемычки.

Техника использования лазерного резака для замыкания выхода И-вентиля на VDD является формой «аппаратного взлома», известной уже много лет. Однако конкретные детали реализации варьируются от устройства к устройству, и каждое новое поколение микроконтроллеров представляет уникальные задачи. Серия PIC16C558 особенно удобна для этой атаки, потому что топология металлических слоёв относительно грубая и легко визуализируется. Новые устройства с меньшими размерами элементов и дополнительными металлическими слоями гораздо сложнее модифицировать даже с помощью самых передовых лазерных инструментов. Поэтому утверждение о том, что эти старые PIC являются «самыми защищёнными Microchip PIC из всех доступных», столь поразительно — оно предполагает, что новые устройства пожертвовали безопасностью ради других преимуществ, таких как более низкая стоимость или более высокая производительность.

С точки зрения владельца кода, описанная нами уязвимость является отрезвляющим напоминанием о том, что ни один механизм безопасности не является непогрешимым. Если ваша интеллектуальная собственность достаточно ценна, решительный противник в конечном итоге найдёт способ её извлечь. Лучшая защита — это многоуровневый подход к безопасности, сочетающий аппаратную защиту с программной обфускацией и регулярными аудитами безопасности. Даже если злоумышленнику удастся разблокировать устройство и выполнить считывание флэш-памяти, сам код может быть защищён с помощью таких методов, как шифрование кода, антитамперные механизмы и удалённая аттестация. Эти дополнительные меры могут сделать процесс извлечения прошивки гораздо более сложным и трудоёмким, потенциально отпугивая всех, кроме самых настойчивых злоумышленников.

В контексте PIC16C558 изученные нами И-вентили не являются единственными функциями безопасности, присутствующими на кристалле. В даташите упоминаются и другие функции, такие как калибровка генератора, сброс по включению питания и сторожевой таймер, все из которых оказывают косвенное влияние на общую безопасность устройства. Например, цепь генератора может использоваться для реализации проверок безопасности на основе времени, а сторожевой таймер может предотвращать некоторые типы атак с инжекцией ошибок. Общая безопасность устройства является суммой этих отдельных функций, и тщательная обратная разработка должна учитывать все их. Тот факт, что уязвимость И-вентиля существует, не означает, что устройство полностью небезопасно; это просто означает, что существует известный путь атаки, который может быть использован при определённых условиях.

Для тех, кто заинтересован в повторении этого анализа, шаги относительно просты, но требуют доступа к специализированному оборудованию. Во-первых, устройство должно быть декапсулировано с помощью химического травления или механической полировки для обнажения кристалла. Затем кристалл должен быть сфотографирован с помощью микроскопа высокого разрешения или сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) для получения изображения топологии металлических слоёв. Сравнивая изображения, сделанные при разных увеличениях и после удаления последовательных металлических слоёв, можно восстановить полную топологию схемы. Этот процесс трудоёмкий и требует внимания к деталям, но даёт огромное количество информации о внутренней архитектуре устройства. При достаточном терпении и опыте даже самые сложные защитные схемы могут быть поняты и, возможно, обойдены.

Сообщество безопасности давно признало важность аппаратной обратной разработки для развития как атак, так и защиты. Изучая такие устройства, как PIC16C558, исследователи могут выявлять закономерности и слабые места, которые, вероятно, появятся в других продуктах того же производителя или использующих аналогичные методологии проектирования. Эти накопленные знания помогают отрасли в целом создавать более безопасные системы с течением времени. Тот факт, что новые устройства Microchip описываются как «менее защищённые», является свидетельством ценности этих текущих исследований — он показывает, что компания сместила своё внимание с физической безопасности на другие приоритеты, возможно, потому, что считает, что ландшафт угроз изменился.

Также стоит отметить, что уязвимость И-вентиля не является единственным способом скомпрометировать безопасность PIC16C558. Другие векторы атак включают анализ мощности, электромагнитное излучение и глитчинг тактовой частоты, все из которых могут быть использованы для обхода механизма блокировки или извлечения кода без модификации оборудования. Выбор метода атаки зависит от ресурсов злоумышленника и конкретных ограничений целевой системы. Например, если устройство находится в защищённом анклаве и физически недоступно, атаки по побочным каналам могут быть единственным жизнеспособным вариантом. С другой стороны, если устройство съёмное и может быть исследовано в лаборатории, прямое физическое изменение, такое как атака лазерным резаком, часто является наиболее надёжным подходом.

В конечном счёте, история механизма безопасности PIC16C558 является микрокосмом более широкой борьбы между инженерами по безопасности и злоумышленниками. Инженеры Microchip разработали сложную систему, сочетающую несколько перемычек, И-вентилей и металлическое экранирование для защиты памяти устройства. Злоумышленники, вооружённые инструментами декапсуляции и лазерными резаками, нашли единую точку отказа в трассировке выходов И-вентиля. Эта динамика кошки-мышки движет прогрессом в обеих областях, гарантируя, что каждое поколение микроконтроллеров становится более безопасным, чем предыдущее. Хотя ни одна система не может быть абсолютно неуязвимой, уроки, извлечённые из анализа таких устройств, как PIC16C558, помогают поднять планку безопасности в индустрии встраиваемых систем.

Конкретная техника замыкания выхода И-вентиля на VDD является классическим примером атаки «инжекции ошибок», где злоумышленник вносит контролируемую ошибку в схему для изменения её поведения. В данном случае ошибка представляет собой постоянное короткое замыкание, которое изменяет логическую функцию вентиля. Другие типы инжекции ошибок включают глитчинг напряжения, глитчинг тактовой частоты и электромагнитные импульсы, все из которых могут иметь схожие эффекты на работу схемы. Преимущество подхода с лазерным резаком заключается в том, что он относительно точен и не требует питания устройства во время модификации. Это упрощает выполнение атаки без запуска каких-либо антитамперных мер, которые могут быть активны во время нормальной работы.

Для инженеров, работающих над защищёнными системами, ключевой вывод из этого анализа — важность физической безопасности в дополнение к логической безопасности. Недостаточно разработать надёжный алгоритм или умный протокол безопасности; реализация также должна противостоять физическим атакам. Это означает тщательное внимание к топологии критических сигналов, использование нескольких слоёв металла и поликремния для маскировки схемы и включение активных контрмер, таких как встроенные датчики, обнаруживающие попытки взлома. Серия PIC16C558 включает некоторые из этих функций, такие как металлическое экранирование перемычек, но она уступает в трассировке выходов И-вентиля. Это упущение является ценным уроком для будущих разработок.

Завершая этот анализ, важно признать вклад сообщества обратной разработки в раскрытие этих уязвимостей. Без их усилий многие из этих проблем безопасности остались бы неизвестными, оставляя пользователей с ложным чувством безопасности. Публикация таких результатов необходима для здоровья отрасли, поскольку позволяет производителям улучшать свои продукты, а пользователям принимать обоснованные решения о безопасности своих систем. Тот факт, что эта информация теперь общедоступна, является свидетельством важности прозрачности и сотрудничества в области информационной безопасности.

Резюмируя: PIC16C558 и его собратья представляют собой увлекательный пример для изучения проектирования и анализа механизмов безопасности микроконтроллеров. Подход с И-вентилями для управления блокировкой одновременно и умён, и уязвим, а физическая реализация раскрывает множество информации о компромиссах, связанных с проектированием защищённого оборудования. Будь вы исследователем безопасности, инженером встраиваемых систем или просто любопытным наблюдателем, у этих устройств можно многому научиться. Методы декапсуляции, визуализации и инжекции ошибок являются мощными инструментами, которые могут быть применены к широкому кругу задач аппаратной безопасности, и уроки, извлечённые из PIC16C558, будут продолжать влиять на разработку защищённых систем в течение многих лет.

Для тех, кто хочет глубже изучить эту тему, в интернете и в академической литературе доступно множество ресурсов. Методы аппаратной обратной разработки хорошо документированы, и существует множество сообществ, посвящённых обмену знаниями и инструментами в этой области. PIC16C558 — лишь один из примеров устройства, которое было тщательно проанализировано, и методы, использованные для его изучения, применимы ко многим другим микроконтроллерам и защищённым элементам. По мере развития технологий важность понимания аппаратной безопасности будет только расти, делая эту область захватывающей и жизненно важной для будущих исследований и разработок.

Наконец, мы должны рассмотреть этические последствия такого рода анализа. Хотя представленная здесь информация предназначена для образовательных и исследовательских целей, она также может быть использована в злонамеренных целях. Ответственность за этичное и законное использование этих знаний лежит на читателе, а также за уважение прав интеллектуальной собственности других. Целью аппаратной безопасности исследований является улучшение общей безопасности экосистемы, а не предоставление несанкционированного доступа или дублирования защищённого кода. Работая вместе, исследователи безопасности и производители могут построить более безопасный и надёжный цифровой мир.

• Список микроконтроллеров Microchip PIC для обратной разработки в Mikatech: