FPGA如何通过安全审查？英国NCSC标准与单芯片加密技术指南

嵌入式系统设计师和硬件安全工程师们，是否经常面临这样的困境：设计的FPGA系统难以通过严格的安全审查，知识产权保护方案不够可靠，或者物理篡改防护措施不足？特别是在通信、工业、航空航天、国防和核系统等对安全性要求**的领域，这些挑战可能带来严重后果。Microchip的PolarFire(R) FPGA的单芯片加密设计流程成功通过了英国**网络安全中心（NCSC）的严格审查，其采用的设计分离方法显著增强了器件弹性和功能隔离，为高安全性应用提供了从知识产权保护到数据安全和物理篡改防护的全方位解决方案。

理解NCSC审查标准与要求

英国**网络安全中心（NCSC）的审查是业界公认的严格安全评估流程，其对半导体器件的审查主要基于器件级弹性要求。这一审查过程涉及对芯片架构、安全功能和防御能力的全面分析和评估，确保器件能够抵抗各种已知和潜在的安全威胁。

NCSC审查特别关注功能隔离的有效性，即确保芯片内不同安全域之间的严格分离，防止敏感数据或功能受到未授权访问。这种隔离需要通过硬件机制实现，而不仅仅是软件层面的保护。

物理安全防护是另一个重点审查领域，包括抵抗物理篡改、旁道攻击（如差分功率分析）和探测攻击的能力。NCSC要求器件即使落入攻击者手中，也能保护其中存储的敏感信息和密钥材料。

供应链安全保障同样重要，审查过程会评估器件在整个生命周期中的安全性，从制造到部署再到退役，确保每个环节都不会引入安全风险或后门。

PolarFire FPGA的安全架构特色

Microchip PolarFire FPGA采用了多层次的安全架构，提供了从芯片级到系统级的全面保护。AES-256加密配置文件结合基于SHA-256的HMAC验证，为设计文件提供了强大的加密和完整性保护，防止IP被盗或篡改。

利用从Cryptography Research Incorporated（CRI）获得许可的技术，PolarFire FPGA能够有效抵抗差分功率分析（DPA）攻击。DPA攻击通过分析器件的功率消耗模式来提取密钥信息，是许多安全器件的致命弱点。

公钥加密内核的使用实现了安全密钥分发，通过椭圆曲线加密技术（ECC）确保密钥交换过程的安全性。这对于需要定期更新密钥或进行安全远程配置的应用场景特别重要。

物理不可克隆函数（PUF）技术为每个器件提供了**的硅生物识别特征，可用于生成设备**密钥或进行安全认证。这种基于物理特性的安全机制极难复制或伪造。

真正的随机数生成器是许多安全协议的基础，PolarFire FPGA内置的硬件随机数生成器提供了高质量的随机数，满足各种加密算法的需求。

单芯片加密设计流程详解

单芯片加密设计流程是PolarFire FPGA通过NCSC审查的关键创新之一。设计分离方法通过在器件内部创建逻辑隔离的安全域，确保不同功能或不同安全级别的代码和数据能够共存于同一芯片而不会相互影响。

加密配置流程确保了设计文件从开发到部署全程的安全性。设计文件使用AES-256加密，并通过SHA-256基于HMAC进行验证，防止未经授权的访问或篡改。

安全启动机制保证了器件每次上电时都能验证其配置的完整性和真实性，防止恶意代码或未授权修改的执行。这对于防止供应链攻击特别重要。

运行时保护功能持续监控器件的安全状态，检测并防止潜在的攻击行为。包括对异常访问模式、功耗特征或温度变化的监测。

安全更新机制允许在验证新配置的完整性和真实性后，安全地更新器件功能，而不会暴露系统于风险之中。

实施指南与**实践

成功实施安全FPGA设计需要系统化的方法和多方面的考量。安全需求分析是**步，需要明确系统的安全要求，包括需要保护的数据、面临的威胁模型和合规性要求。

安全架构设计需要精心规划，根据数据流和处理需求定义安全域和隔离边界。PolarFire的设计分离方法为此提供了良好基础。

密钥管理策略至关重要，需要确定密钥的生成、存储、分发和更新方案。硬件安全模块和PUF技术可以大大简化密钥管理的复杂性。

安全验证流程不可或缺，除了功能验证外，还需要进行专门的安全测试，包括抗攻击测试和渗透测试，确保设计符合安全要求。

安全部署和维护同样重要，需要制定安全的生产编程流程和现场更新机制，确保器件在整个生命周期中的安全性。

应用场景与典型案例

PolarFire FPGA的单芯片加密技术在多个高安全性领域都有重要应用。通信基础设施需要保护传输数据和网络配置的安全，防止未授权访问或服务中断。

工业控制系统对可靠性和安全性有**要求，需要防止恶意操作或生产中断。PolarFire的功能隔离特性确保了控制功能与网络连接的严格分离。

航空航天和国防系统面临复杂的威胁环境，需要保护关键任务功能免受干扰或破坏。这些系统往往需要***别的安全认证。

核能控制系统的安全性关乎公共安全，需要防止未授权访问或恶意操控。单芯片加密提供了必要的保护层级。

智能边缘设备经常部署在不受控环境中，面临物理篡改风险。PolarFire的防篡改特性为此类应用提供了理想解决方案。

个人观点：安全设计的未来趋势

从我作为技术博主的视角来看，FPGA安全设计正在经历重要转变。硬件信任根将成为安全设计的基石，基于PUF技术的设备**标识为安全认证提供了可靠基础。

零信任架构理念正在渗透到硬件设计领域，不再假设任何内部组件或接口是可信的，而是要求持续验证和严格访问控制。

AI增强的安全监控将发挥更大作用，通过机器学习算法分析器件行为模式，实时检测异常和潜在攻击，提供主动防护能力。

量子安全加密过渡已经开始，虽然量子计算机对现有加密标准的威胁尚未成为现实，但前瞻性的安全设计已经开始集成抗量子加密算法。

安全开发生命周期日益重要，安全不再仅仅是设计阶段的考虑，而是需要贯穿从需求分析到退役处理的整个产品生命周期。

*重要的是，透明性和可验证性将成为安全产品的重要特征。通过开放标准、第三方审查和可验证的构建流程，建立用户对安全功能的信任。

未来三到五年，我预期将看到更多标准化安全认证要求，特别是在关键基础设施和政府应用中。同时，自动化安全分析工具将帮助设计师更早地发现和修复安全漏洞，降低开发成本和风险。