4、多源供应链安全模型:供应链参与者、信任边界与攻击面分析

Chiplet 技术的核心特征是将单一 SoC 拆解为多个具有特定功能的裸片(Die),再通过先进封装(如 2.5D/3D 封装、硅桥、Fan-Out)集成到一个封装体内。这种范式将传统 IDM(集成设备制造商)的封闭制造流程,转变为由全球多个参与者协作完成的开放式供应链。从安全视角看,Chiplet 供应链的“多源”属性意味着信任不再是一个单一实体内部的假设,而是需要在多个独立商业实体之间建立可验证的信任链。本章将系统拆解供应链中的关键参与者、定义信任边界,并深入分析各环节的攻击面,为后续章节的防护策略奠定基础。

Chiplet 多源供应链安全模型:参与者、信任边界与攻击面 信任边界 1:设计域 IP 提供商 SoC 架构师 / 集成商 EDA 工具链 信任边界 2:制造域 晶圆代工厂 (Foundry) 光罩厂 (Mask Shop) OSAT (外包封测) 信任边界 3:封装集成域 2.5D/3D 封装厂 基板/中介层供应商 微凸块/TSV 工艺 信任边界 4:测试与系统域 测试厂 (ATE/探针台) 系统 OEM / 云服务商 固件/BIOS 供应商 攻击面 A1 恶意 IP / 后门插入 EDA 工具链投毒 攻击面 A2 光罩篡改 / 超量生产 晶圆掺杂 / 参数漂移 攻击面 A3 中介层恶意布线 微凸块/TSV 物理探测 攻击面 A4 测试向量泄露 固件更新劫持 信任传递链:Root of Trust → 设计数据 → 制造数据 → 封装数据 → 测试数据 → 系统集成 每个环节都需要独立的完整性校验与来源认证,任何一环的信任缺失都会导致整体安全失效 核心风险:信任孤岛 各参与者仅对自己环节负责,缺乏全局安全视图 数据格式转换(GDSII→OASIS→封装文件) 过程中可能丢失安全属性 应对思路:可验证信任链 硬件安全模块 (HSM) 作为信任根 每道工序签名 + 区块链式审计日志 物理不可克隆函数 (PUF) 用于裸片身份认证

上图展示了 Chiplet 供应链的四个主要信任边界及其对应的攻击面。与传统的单片 SoC 供应链相比,Chiplet 的信任边界数量更多、数据交换更频繁、物理接口更复杂。下面我们将逐一深入分析每个参与者的角色、信任假设与攻击面。

4.1 供应链参与者角色与信任假设

在 Chiplet 生态中,参与者不再是简单的“设计-制造-封测”线性关系,而是形成了一个多对多的网状协作网络。每个参与者都持有部分设计数据、工艺参数或测试向量,这些数据在传递过程中需要保持机密性、完整性和可用性。

参与者 核心职责 信任假设 安全关键数据
IP 提供商 提供处理器核、SerDes、NoC 等可复用的功能模块 IP 功能与文档一致,无隐藏后门 RTL 源码、加密核、行为模型
SoC 架构师/集成商 选择 Chiplet、定义互连协议、完成系统集成 各 Chiplet 接口兼容且安全 系统级网表、地址映射、安全配置
晶圆代工厂 按 GDSII 制造裸片 工艺参数精确,不超量生产 GDSII 文件、光罩数据、工艺配方
封装厂 (OSAT) 完成 2.5D/3D 封装、TSV 成型、微凸块制作 封装工艺不引入物理篡改 封装设计文件、基板布线图
测试厂 执行晶圆测试 (CP) 和封装测试 (FT) 测试向量不被泄露或篡改 测试程序、扫描链数据、失效日志
系统 OEM 将 Chiplet 集成到最终产品(服务器、汽车等) 固件与 Chiplet 驱动安全 UEFI/BIOS、设备驱动、密钥

信任假设是安全模型的基础。例如,当 SoC 集成商从第三方购买一个 AI 加速 Chiplet 时,它必须假设该 Chiplet 的 RTL 代码中不存在恶意逻辑。然而,在现实中,这种假设往往过于乐观。攻击者可能通过向 IP 供应商的 EDA 工具链投毒,在综合或布局布线阶段插入硬件木马,使得最终 GDSII 与原始 RTL 不一致。

4.2 信任边界定义与传递机制

信任边界是安全域之间的分界线。在 Chiplet 供应链中,信任边界不仅存在于物理实体之间(如代工厂与封装厂),也存在于数据流和设计流程的交接点。每个信任边界都需要明确的验证机制,以确保数据在跨越边界时未被篡改。

信任边界分类:

  • 设计-制造边界:GDSII 文件从设计域传递到制造域。此边界需要确保光罩数据与设计意图一致,防止恶意修改。
  • 制造-封装边界:裸片从晶圆代工厂流向封装厂。此边界需要验证裸片的物理身份(通过 PUF 或序列号)和电气特性。
  • 封装-测试边界:封装后的 Chiplet 进入测试环节。此边界需要保护测试向量不被窃取,同时确保测试覆盖率足够发现恶意修改。
  • 测试-系统集成边界:测试通过的 Chiplet 被集成到系统板卡。此边界需要验证固件与硬件的一致性。

信任传递机制通常依赖于硬件安全模块(HSM)和公钥基础设施(PKI)。例如,设计方使用私钥对 GDSII 文件签名,代工厂使用公钥验证签名后再开始制造。然而,这种机制在 Chiplet 场景下面临挑战:一个 Chiplet 可能由多个 IP 组成,每个 IP 来自不同的供应商,签名粒度如何划分?如果每个 IP 都单独签名,封装厂需要管理大量的公钥,增加了复杂性。

4.3 攻击面深度分析

攻击面是指攻击者可以利用的入口和弱点。在 Chiplet 供应链中,攻击面分布在物理、逻辑和系统三个层面。

4.3.1 物理攻击面

物理攻击面主要存在于制造和封装环节。攻击者可能通过以下方式实施攻击:

  • 光罩篡改:在光罩制作过程中,攻击者修改特定层的图形,植入硬件木马。这种攻击极其隐蔽,因为木马可能只在特定条件下激活。
  • 超量生产:代工厂多生产一批裸片,用于仿冒或灰色市场销售。超量生产的裸片可能被用于构建不安全的系统。
  • 微探针攻击:在封装完成后,攻击者使用聚焦离子束(FIB)或微探针台直接探测 TSV 或微凸块上的信号。Chiplet 的 3D 堆叠结构使得内部信号更容易被物理接触。

4.3.2 逻辑攻击面

逻辑攻击面涉及设计数据和测试数据的篡改。例如:

  • EDA 工具链投毒:攻击者入侵 EDA 工具的许可证服务器或更新服务器,在工具中植入恶意代码,使得工具在综合时自动插入后门逻辑。
  • 测试向量泄露:测试向量包含了芯片的内部状态信息,攻击者通过窃取测试向量可以逆向工程芯片的逻辑结构。
  • 固件更新劫持:在系统集成阶段,攻击者通过伪造固件更新包,将恶意固件刷入 Chiplet 的引导 ROM 中。

4.3.3 系统攻击面

系统攻击面关注 Chiplet 之间的互连和通信。由于 Chiplet 通过 NoC(片上网络)或 SerDes 进行通信,攻击者可能通过恶意 Chiplet 向其他 Chiplet 发送伪造消息,破坏系统的隔离性。

风险提示:在 Chiplet 架构中,一个恶意的第三方 Chiplet 可能通过共享的 NoC 发起侧信道攻击,窃取相邻 Chiplet 正在处理的敏感数据(如加密密钥)。这种攻击在传统单片 SoC 中不存在,因为所有模块都在同一个信任域内。

4.4 案例拆解:自动驾驶域控制器中的 Chiplet 供应链攻击

为了更直观地理解多源供应链的安全风险,我们分析一个自动驾驶域控制器的案例。该控制器集成了来自不同供应商的四个 Chiplet:主计算 Chiplet(供应商 A)、AI 加速 Chiplet(供应商 B)、安全岛 Chiplet(供应商 C)和通信 Chiplet(供应商 D)。

背景与约束:该域控制器需要满足 ISO 26262 ASIL-D 功能安全等级,同时需要抵御恶意攻击。供应链分布在全球多个国家和地区,每个供应商都有独立的开发环境和制造工厂。

初始现象:在系统级测试中,安全岛 Chiplet 偶尔报告虚假的故障信号,导致系统误触发紧急制动。起初工程师认为是软件 bug,但经过数周排查,发现故障信号与 AI 加速 Chiplet 的负载高度相关。

分析过程:

  1. 工程师首先检查了安全岛 Chiplet 的固件版本,确认固件未被篡改。
  2. 使用逻辑分析仪抓取 NoC 上的数据包,发现 AI 加速 Chiplet 在特定条件下会向安全岛 Chiplet 发送异常的控制消息。
  3. 进一步分析 AI 加速 Chiplet 的 GDSII 数据,发现其 NoC 接口逻辑中有一个未在 RTL 中出现的状态机。该状态机在收到特定序列的输入时,会向安全岛发送伪造的故障信号。
  4. 追溯该状态机的来源,发现它是在综合阶段由 EDA 工具自动插入的。进一步调查发现,供应商 B 使用的 EDA 工具版本已被植入恶意补丁。

实际操作步骤:

  • 立即隔离 AI 加速 Chiplet,将其从 NoC 中逻辑断开。
  • 与供应商 B 联合调查,确认恶意补丁的来源,并更新 EDA 工具。
  • 对所有 Chiplet 的 GDSII 进行差异比对,检查是否存在其他未声明的逻辑。
  • 在安全岛 Chiplet 中增加消息认证机制,拒绝来自非信任源的 NoC 消息。

结果与复盘:通过上述措施,系统恢复了正常。但此次事件暴露了多源供应链的深层问题:即使每个供应商都声称其设计是安全的,但工具链的信任缺失可能导致最终产品存在漏洞。复盘经验包括:

  • 必须对 EDA 工具链进行完整性校验,不能盲目信任供应商提供的工具。
  • 在 Chiplet 接口层面增加硬件安全机制(如消息认证码),而不是仅依赖软件层防护。
  • 建立跨供应商的安全审计机制,定期交换安全事件信息。

4.5 常见误区与总结复盘

在构建 Chiplet 多源供应链安全模型时,常见以下误区:

误区一:认为只要每个供应商都通过 ISO 27001 认证,供应链就是安全的。实际上,ISO 27001 关注的是信息安全管理体系,并不覆盖硬件木马检测或物理攻击防护。

误区二:将信任边界等同于公司边界。在 Chiplet 场景下,同一家公司内部的不同部门(如设计部门和测试部门)之间也可能存在信任边界。

误区三:忽视数据格式转换过程中的安全风险。GDSII 转换为 OASIS 格式时,可能丢失安全属性(如加密标记),导致后续环节无法验证数据完整性。

总结:多源供应链安全模型的核心是“不信任,必验证”。每个参与者都需要对其接收的数据和硬件进行独立验证,而不是依赖上游的信任声明。信任边界应基于数据流和物理接口来定义,而不是基于组织架构。攻击面分析需要覆盖物理、逻辑和系统三个层面,并定期进行安全评估和渗透测试。