📚 课程目录第3章简单功耗分析（SPA）概念与示例

简单功耗分析（SPA）概念与示例

说到简单功耗分析，大家第一反应是什么？

我刚开始接触侧信道时，觉得这名字挺唬人。后来做了几个项目才发现，SPA说白了就是——看波形猜算法。

你拿着示波器，探针怼在芯片电源引脚上，然后盯着屏幕上的电流起伏。嗯，这里跳了一下，那里顿了一下。如果你能直接看出芯片在做什么操作，恭喜你，你已经会了最基本的SPA。

简单功耗分析，全称 Simple Power Analysis。它利用的是芯片在执行不同指令时，功耗消耗会不一样这个物理特性。

举个例子。

芯片算乘法的时候，电流会飙高。算加法的时候，电流就平缓。做条件跳转的时候，波形会突然凹下去一块。你想想看，如果我能把整个程序的执行流程从一条功耗曲线上还原出来，那密钥还有什么秘密可言？

核心思想：一条功耗曲线 = 一次完整的算法执行过程。SPA的目标就是直接从这条曲线上读取关键信息。

我在项目中遇到过一种情况。客户说他的加密芯片安全，所有数据都是密文传输。我拿过来，先没做复杂的统计分析，就单纯看了一下芯片上电后的功耗波形。结果发现——密钥分量的加载有明显的节奏差异。高位的比特对应的波形电压偏高，低位偏低。这不就等于明文送给我了吗？

这张表你可能看过很多次了。但我必须强调一点：SPA的攻击门槛其实比DPA高。为什么？因为你需要真的看懂波形。这不是跑个脚本就能出结果的事情。

我见过不少刚入行的同学，拿到SPA波形后不知道看哪里。嗯，这很正常。我自己刚开始也这样。关键是——你得先知道正常波形长什么样，才能看出哪个地方不对劲。

举两个最常见的例子。

很多低成本的RSA实现，用的还是经典的平方-乘算法。算法逻辑大概是这样：

for each bit in key:
    square()
    if bit == 1:
        multiply()

实际执行的时候，如果密钥当前比特是1，功耗曲线上会出现一个额外的乘操作。你只要找到波形里多出来的那团凸起——凸起对应的就是比特1，没有凸起就是比特0。

就这么简单。

⚠️ 注意：这不是假设场景。我在实验室里亲自复现过。拿一个8位单片机跑的RSA，采样率100MS/s，示波器带宽50MHz，出来的波形清晰到可以直接数比特。密钥是1024位的，数完不到半小时。

很多软件实现AES时，会用查表法替换S盒。如果S盒的数据在内存中排列不均衡，或者查表指令的执行时间因输入不同而不同，功耗波形上就会出现可观察的差异。

比如下面这个极简的例子：

// 简化AES S盒查找（非平衡实现）
uint8_t sbox[256];
uint8_t out = sbox[input];

如果编译器把这行代码编译成了条件加载或间接分支，输入值的不同会导致微架构层面的功耗差异。这种差异用肉眼可能难以分辨，但结合一点小技巧——比如对齐波形后看局部放大图——你就能把每个S盒输入猜出来。

有同学会问：现在芯片不都有掩码保护了吗？

是的，很多高级芯片有。但我发现很多产品经理以为“上了掩码就万事大吉”。你猜怎么着？掩码只防护DPA，对SPA几乎无效。因为SPA看的是操作顺序和宏观结构，掩码改不了这些东西。这是我很多年前踩过的坑，分享给你们。

怎么防？这里分享一下我个人比较认可的做法。

恒功率设计：芯片不管执行什么操作，消耗的功率都一样。比如差分逻辑电路。缺点是面积和功耗会翻倍。
随机插入伪操作：在算法流程里随机插入空循环或冗余计算，打乱波形的时间对齐。我看过一个开源的AES实现，插入了最多15%的伪操作，SPA的有效性直接降到20%以下。
密钥分量采用平衡编码：比如双轨编码。密钥分量0和1在波形上无法区分。我曾经测试过一个客户的双轨设计，SPA攻击时间从半小时拖到了两周——不是说不可以，但投入产出比让攻击者放弃了。

💡 一个小技巧：如果你现在手头就有芯片在做SPA测试，我建议你先把示波器的采样率调到芯片主频的5倍以上。大多数情况下，SPA分辨率不够的问题都是采样率偏低造成的。

下面这张SVG图，从原理、攻击手段到防御措施，把SPA的核心链路串起来了。

我自己带团队做侧信道测试时，给新人定了一个入门流程。你如果刚开始学SPA，可以参考一下：

📌 个人习惯：我每次做SPA分析前，都会在示波器上打开持续采集的余晖模式。这样能看到所有波形的叠加效果。如果有重复的时序抖动，余晖模式会让时序稳定的部分看起来更亮，异常点则发暗。这一招帮我发现了至少3次芯片的弱点设计。