強(qiáng)調(diào)性能和向后兼容性再加上系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加催生了許多難以修復(fù)的漏洞。

在過(guò)去一年中，谷歌的Zero項(xiàng)目至少發(fā)現(xiàn)了處理器中的三個(gè)主要安全漏洞，預(yù)計(jì)未來(lái)的幾個(gè)月還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多漏洞。現(xiàn)在的問(wèn)題是怎么解決這些漏洞。

自PC時(shí)代開(kāi)啟以來(lái)，對(duì)硬件的兩項(xiàng)主要要求一直是保持向后兼容性和更新后的處理器實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，沒(méi)有人希望在每次升級(jí)硬件時(shí)重新編寫(xiě)軟件，想要逆這種潮流而動(dòng)的公司也都活得不好。

但是，事實(shí)證明，安全性問(wèn)題并沒(méi)有隨著時(shí)代的發(fā)展而銷(xiāo)聲匿跡，過(guò)去有效的方法可能會(huì)在未來(lái)失效。現(xiàn)在，一個(gè)五年前被人們認(rèn)為是最先進(jìn)的安全性設(shè)計(jì)現(xiàn)在可能會(huì)在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)被黑客利用更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)攻破。之前，可以在虛擬機(jī)中添加一個(gè)抽象層，在多用戶(hù)的云環(huán)境中隔離各個(gè)應(yīng)用程序，從而保證一個(gè)應(yīng)用程序不會(huì)受到其它應(yīng)用程序的攻擊。

這些漏洞同樣也會(huì)影響AI／機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，還有那些使用各種加速器、不同的內(nèi)存架構(gòu)和不斷變化的算法的場(chǎng)合。其中一些硬件完全是新品牌而且未經(jīng)充分測(cè)試，沒(méi)有人能確定隨著時(shí)間的推移它們的安全性如何，或者調(diào)整硬件和軟件算法可能會(huì)給安全性帶來(lái)什么影響。

“在AI的使用方式上存在大量安全挑戰(zhàn)，”獨(dú)立密碼學(xué)家和計(jì)算機(jī)安全專(zhuān)家Paul Kocher說(shuō)。“包括對(duì)從訓(xùn)練集、對(duì)抗性輸入到不可預(yù)測(cè)的邊緣使用情況的毒化。經(jīng)過(guò)有效自動(dòng)創(chuàng)建的這些算法的整體復(fù)雜性，使得在之前專(zhuān)家通過(guò)創(chuàng)建算法解決的問(wèn)題之上又增加了一組全新的問(wèn)題。有大量的論文寫(xiě)到對(duì)使用了加速器或未使用加速器的AI系統(tǒng)的攻擊。過(guò)去幾年中這種情況已經(jīng)出現(xiàn)不少，未來(lái)還會(huì)更多，這是一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域，現(xiàn)在可以說(shuō)是一片混亂。”

在過(guò)去，硬件上的軟件是跟硬件適配的，但現(xiàn)在不同了，新的AI芯片正由軟件定義，這種關(guān)系的逆轉(zhuǎn)會(huì)如何影響安全性還有待觀察，但是由于軟件不斷地變化，使得我們更加難以確定這些系統(tǒng)最終的表現(xiàn)。

“目前并沒(méi)有一勞永逸的殺手級(jí)解決策略，很多結(jié)果都是臨時(shí)拼湊出來(lái)的，而且很難復(fù)制到其它系統(tǒng)中，”Kocher說(shuō)，“因此，現(xiàn)在甚至很難確定對(duì)一個(gè)場(chǎng)景有效而且似乎在一個(gè)學(xué)術(shù)環(huán)境中奏效的安全策略是否適用于該領(lǐng)域其他場(chǎng)合。”

在非AI的世界中，安全也是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題，邊緣設(shè)備數(shù)量正在快速增長(zhǎng)。熔斷和幽靈故障使得首席技術(shù)官們憂心忡忡，他們擔(dān)心數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)被盜和軟件勒索。大型芯片廠商已經(jīng)快速發(fā)布了安全補(bǔ)丁，但是打補(bǔ)丁會(huì)影響性能。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，性能就意味著金錢(qián)，因?yàn)樗鼤?huì)影響數(shù)據(jù)處理速度、需要部署多少冷卻系統(tǒng)、為了保持平衡需要部署多少額外的計(jì)算容量。

“大多數(shù)攻擊都是在軟件中進(jìn)行的，這仍然是當(dāng)前安全問(wèn)題的主流陣地，”谷歌董事會(huì)主席John Hennessy在最近的Hot Chips 30大會(huì)上發(fā)表演講時(shí)指出。但是他還提到，對(duì)硬件的攻擊正在成為一個(gè)更大的問(wèn)題。“熔斷和幽靈漏洞只是一個(gè)開(kāi)始，現(xiàn)在安全漏洞有多個(gè)版本，熔斷和幽靈可能只是第一個(gè)版本。L1TF和Foreshadow可以突破虛擬機(jī)的防線。”

Hennessy說(shuō)這些漏洞幾乎不可能通過(guò)軟件修復(fù)，因?yàn)闀?huì)使得性能受到很大影響，而且并非所有漏洞都能通過(guò)軟件方式解決。“很多處理器都有漏洞，”他說(shuō)，“修復(fù)漏洞的平均時(shí)間大概為100天左右。”

預(yù)測(cè)執(zhí)行

目前有一個(gè)重要的硬件攻擊表現(xiàn)在預(yù)測(cè)性執(zhí)行上，這在處理器中大致相當(dāng)于預(yù)取對(duì)搜索起到的加速作用。預(yù)測(cè)執(zhí)行機(jī)制會(huì)預(yù)測(cè)處理器上下一條指令的結(jié)果，以?xún)?yōu)化性能。

問(wèn)題在于，這個(gè)在過(guò)去一直運(yùn)行良好的機(jī)制現(xiàn)在被認(rèn)為很容易受到側(cè)通道攻擊。谷歌軟件工程師Paul Turner在Hot Chips的演講中表示，在過(guò)去的二十年中，人們認(rèn)為這種機(jī)制沒(méi)什么問(wèn)題，但現(xiàn)在結(jié)果證明這是一個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)。他指出，預(yù)測(cè)執(zhí)行對(duì)共享內(nèi)存特別麻煩，因?yàn)閷?duì)邊界的錯(cuò)誤推測(cè)可能會(huì)觸發(fā)一個(gè)安全漏洞。黑客可以使用這種機(jī)制通過(guò)受限內(nèi)存訪問(wèn)軟件內(nèi)核和虛擬機(jī)管理程序，并查看系統(tǒng)中運(yùn)行的任何內(nèi)容。

“現(xiàn)在沒(méi)有任何單元會(huì)告訴硬件的邊界在哪里，”Turner說(shuō)。他指出，黑客可以使用一個(gè)側(cè)信道在他自己的執(zhí)行環(huán)境里攻擊私有內(nèi)存。

幾十年來(lái)，一直使用預(yù)測(cè)執(zhí)行幫助提高硬件性能。威斯康星大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Mark Hill表示，多年來(lái)預(yù)測(cè)執(zhí)行方法幫助性能提升了20倍，這個(gè)差異大致相當(dāng)于當(dāng)前處理器速度與200MHz芯片之間的差異。

“問(wèn)題在于我們這次是通過(guò)硬件手段來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題還是只是緩解這個(gè)問(wèn)題，”Hill說(shuō)。 “由于影響重大，所以需要很長(zhǎng)時(shí)間確定其解決方式。”

發(fā)現(xiàn)安全漏洞只是問(wèn)題的一方面，更重要的是如何處理它們。

Synopsys董事長(zhǎng)兼聯(lián)合首席執(zhí)行官Aart de Geus說(shuō)：“如果一款基礎(chǔ)性的處理器新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)會(huì)產(chǎn)生很大影響的安全漏洞，如果它的所有系統(tǒng)都在你的掌控之內(nèi)，它一般會(huì)相對(duì)較快地得到修復(fù)。安全性的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于了解漏洞和與客戶(hù)交流的時(shí)機(jī)。假如你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)中的漏洞，你會(huì)同時(shí)告訴所有客戶(hù)嗎？會(huì)公開(kāi)告訴他們還是悄悄告訴他們？如果是公開(kāi)告知，你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手很快也能得到消息。”

這就是為什么谷歌的Zero項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的新漏洞過(guò)了很久才被大眾所知的原因之一。

“一旦有人發(fā)現(xiàn)了漏洞，他們會(huì)告訴受到影響的供應(yīng)商，然后通常會(huì)有三到六個(gè)月的停止供貨期。”Kocher說(shuō)。“這個(gè)時(shí)間根據(jù)具體情況可能會(huì)稍微長(zhǎng)一些。人們發(fā)現(xiàn)了幽靈和熔斷漏洞之后，芯片供應(yīng)商們開(kāi)始研究可以如何解決、如何調(diào)整，現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)過(guò)了供貨禁運(yùn)期。Foreshadow攻擊的供貨禁運(yùn)期開(kāi)始于1月份，這正是其它漏洞供貨禁運(yùn)期結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)。我覺(jué)得應(yīng)該留出足夠長(zhǎng)的禁運(yùn)時(shí)間，等待學(xué)術(shù)研究人員發(fā)表了對(duì)問(wèn)題的解決方案之后再解禁。”

未來(lái)肯定會(huì)有更多漏洞暴露出來(lái)，而且并不是所有漏洞都會(huì)被充滿騎士精神的黑客發(fā)現(xiàn)。如果是壞家伙發(fā)現(xiàn)了漏洞，沒(méi)有人知道那些芯片會(huì)受到什么影響。同時(shí)，其中一些芯片開(kāi)始進(jìn)入汽車(chē)或工業(yè)市場(chǎng)等安全關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。過(guò)去，沒(méi)有人認(rèn)為汽車(chē)會(huì)被成功攻擊，但是現(xiàn)在隨著汽車(chē)聯(lián)接性的增加，汽車(chē)部署了互聯(lián)網(wǎng)和電子設(shè)備以控制車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，惡意軟件的威脅就突然變得更加嚴(yán)重了。由于這些芯片的預(yù)計(jì)使用壽命是10年到20年，因此這個(gè)問(wèn)題更加嚴(yán)峻了。

設(shè)計(jì)安全性

理想的解決方案是從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)最佳的安全實(shí)踐，但安全特性本身使得這更加艱難了。

“安全性是客戶(hù)始終關(guān)注的焦點(diǎn)，”Cadence產(chǎn)品管理和營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)組主管Frank Schirrmeister說(shuō)。 “人們對(duì)如何處理安全問(wèn)題有著充分的認(rèn)識(shí)。芯片中有一些其它任何單元無(wú)法看到的高安全性模塊，并且有正式的工具可以幫助您驗(yàn)證。你正在建立一個(gè)信任鏈。安全設(shè)計(jì)也會(huì)影響設(shè)計(jì)的其他部分，因?yàn)槲覀冞€希望所有安全區(qū)域都有JTAG接口幫助我們讀取芯片內(nèi)容以利于調(diào)試。”

安全性也沒(méi)有得到普遍應(yīng)用，隨著更多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，安全性的顧慮也增加了。

“每一種設(shè)備都有不同的威脅，和與之相關(guān)的不同成本，”Arm高級(jí)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品經(jīng)理Mike Eftimakis說(shuō)。“比如燈泡和智能相機(jī)的保護(hù)級(jí)別就有很大不同。你可以開(kāi)發(fā)不同的架構(gòu)應(yīng)對(duì)這些威脅。這種方法更多的是拿來(lái)主義，因?yàn)椴⒎撬蠭C芯片都是安全專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的。”

即便是這樣，也會(huì)出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。

Rambus的首席技術(shù)官M(fèi)artin Scott說(shuō)：“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越多，可使用的設(shè)備種類(lèi)越多，漏洞攻擊的機(jī)會(huì)也越多。你看下手機(jī)平臺(tái)，它足夠成熟，足夠標(biāo)準(zhǔn)化，而且已經(jīng)大批量供應(yīng)了那么長(zhǎng)時(shí)間，使得很難對(duì)它進(jìn)行攻擊了。應(yīng)用程序和存儲(chǔ)器更好地綁定在一起。但是連接汽車(chē)密鑰的設(shè)備、或者連接冰箱或者家庭網(wǎng)關(guān)、過(guò)濾器等的可穿戴設(shè)備，它們的標(biāo)準(zhǔn)化程度不同，也沒(méi)有執(zhí)行同等規(guī)格的協(xié)議合規(guī)性測(cè)試或安全測(cè)試，這是非常令人擔(dān)憂的攻擊點(diǎn)。攻擊可能發(fā)生在你并不認(rèn)為非常有價(jià)值的東西身上。”

結(jié)論

由于多種原因，硬件安全風(fēng)險(xiǎn)仍將繼續(xù)升級(jí)。首先，數(shù)據(jù)的價(jià)值正在增加，而且現(xiàn)在有更好的工具幫助篩選大量有用數(shù)據(jù)。其次，不斷增加的連接性和復(fù)雜性使得設(shè)備可以被遠(yuǎn)程攻擊。再次，硬件正被開(kāi)發(fā)作為日益復(fù)雜的系統(tǒng)的一部分，其中一些硬件可能會(huì)使用十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

十多年來(lái)，安全專(zhuān)家一直在警告硬件風(fēng)險(xiǎn)，但是過(guò)去并沒(méi)有確鑿的證據(jù)支持他們的說(shuō)法。不過(guò)，在過(guò)去的一年中，不斷出現(xiàn)的安全漏洞使得情況發(fā)生了很大的變化。雖然硬件現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠安全，但是已經(jīng)有更多的人對(duì)此密切關(guān)注了。