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EETOP|云计算FPGA的重大安全隐患：无需漏洞也能攻破

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来源：老石谈芯作者：老石
当前 ， FPGA已经成为云数据中心里重要的硬件加速单元 。 例如 ， 在之前的文章中详细介绍过微软的“Catapult”项目 。 通过这个项目 ， 微软在Azure云数据中心里部署了上百万个基于FPGA的智能网卡 ， 并使用FPGA对一系列应用进行了硬件加速 。 这其中包括必应搜索（Bing）的文件排名运算 ， 以及通过FPGA构建的实时AI系统“Brainwave” 。
亚马逊AWS则采用了名为FPGA即服务（FaaS）的业务模式 ， 也就是将FPGA作为了AWS云的硬件加速实例 ， 面向云服务的广大用户和开发者 。 这种业务模式提供了FPGA云服务的完整基础设施架构 ， 包括FPGA的开发、调试、部署、维护等等 ， 使得开发者可以直接利用云中的FPGA资源进行算法的硬件加速和开发 。 腾讯云、阿里云、华为云等公有云提供商也纷纷跟进 ， 也在云服务中加入了FPGA的硬件加速实例 。
然而 ， 随着FPGA在云数据中心的不断部署 ， 由此引发的安全性隐患也逐渐成为业界关注的重点之一 。 和CPU、GPU、网络交换芯片等数据中心常见的硬件单元不同 ， FPGA带来的潜在安全性问题有着非常独特的一面 。
一方面 ， FPGA芯片本身可能存在高危漏洞 。 在之前的文章中 ， 我们介绍过赛灵思的7系列FPGA被曝出名为“StarBleed”的漏洞 ， 它使得攻击者能同时攻破FPGA配置文件的加密和鉴权两个重要环节 ， 并由此随意更改FPGA中实现的逻辑功能 。 这个漏洞的严重之处在于 ， 一旦FPGA芯片被攻破 ， 就无法通过软件补丁的方式进行修复 ， 而只能停机换芯片 。
另一方面 ， 由于FPGA的特殊性 ， 即使芯片没有任何功能漏洞 ， 攻击者也可以使用一些很巧妙的手段进行破坏性的操作 ， 并破解并窃取加密信息 。 今天这篇文章 ， 就将介绍这其中的一个攻击方法 。
FPGA虚拟化与多租户FPGA
在FPGA的云计算应用中 ， 虚拟化技术是目前比较常见的FPGA管理和资源调度方式 。 关于FPGA虚拟化技术 ， 有兴趣的读者可以看看老石之前的文章《FPGA虚拟化：突破次元壁的技术》 ， 里面详细介绍了FPGA虚拟化的很多技术细节 。 简单来说 ， 虚拟化技术在传统的FPGA开发层级中加入了额外的一层 ， 从而将用户的应用逻辑与底层硬件分离开 ， 使开发者无需太关心硬件的实现方式 ， 这能大幅降低FPGA的开发难度 ， 缩短开发周期 。
EETOP|云计算FPGA的重大安全隐患：无需漏洞也能攻破
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通过FPGA虚拟化技术 ， 就可以实现在单个FPGA上划分出多个逻辑区域 ， 并分配给不同的用户进行使用 ， 这就是FPGA的多租户（Multi-tenent）技术 。
在多租户FPGA中 ， 理论上不同用户的区域是相互独立的 ， 这可以通过划分不同的FPGA设计区域实现 。 不同的用户并不会共享FPGA上的逻辑资源 ， 此外 ， 他们的FPGA配置文件、上层软件等都应该是加密和独立的 。 这些都由虚拟层进行调度和管理 ， 在技术上 ， 这可以通过FPGA的部分可重构（PartialReconfiguration）特性实现 。
例如 ， 下图中就展示了两种不同的多租户FPGA实现方法 ， 第一种使用了两个相互独立的设计区域 ， 第二种则实现了多个用户设计A、B、C、D在FPGA上的混合排列 。
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事实上 ， 不同用户的设计区域很难做到完全独立 。 比如 ， 在同一个FPGA芯片上 ， 供电、时钟等全局资源往往需要共享 。 仅仅如此 ， 就会给多租户FPGA设计带来安全隐患 。
针对FPGA的电压攻击
在今年的FCCM大会上 ， 来自马萨诸塞大学的RussellTessier教授做了名为“SecurityandPrivacyConcernsfortheFPGA-AcceleratedCloudandDatacenters”的报告 ， 并介绍了一种针对FPGA的电压攻击方法 。


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