汽車芯片安全，迫在眉睫

安全必須被視為首要架構(gòu)約束條件，從芯片設(shè)計之初就融入其中。

芯片領(lǐng)域最緊迫的安全挑戰(zhàn)，已不再是抽象的抗量子算法選型，或是后期追加安全功能。這些挑戰(zhàn)本質(zhì)是必須在設(shè)計早期就做出的架構(gòu)決策，且要在面積、功耗、性能、成本的現(xiàn)實約束下，兼顧產(chǎn)品超長使用壽命。

若干安全問題已直接影響芯片架構(gòu)，包括將后量子密碼算法集成到實際硬件、數(shù)學(xué)安全算法與物理安全實現(xiàn)之間的差距不斷擴大，以及復(fù)雜的多廠商供應(yīng)鏈帶來的暴露面持續(xù)增加。隨著系統(tǒng)向小芯片、異構(gòu)計算和軟件定義平臺擴展，尤其是在汽車領(lǐng)域，架構(gòu)師需要越來越多地負責(zé)定義信任邊界、密鑰生命周期、升級機制，以及抵御側(cè)信道攻擊、故障注入攻擊和 AI 加速攻擊的能力。安全必須被視為首要架構(gòu)約束條件，從芯片設(shè)計之初就融入其中，因為掩膜版一旦流片，便沒有修正的機會。

Cadence旗下Secure-IC 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Sylvain Guilley 指出：“部分最緊迫的安全問題源于供應(yīng)鏈，因為所有環(huán)節(jié)都參與其中，且存在既定標準與認證。難點在于，整個系統(tǒng)由多個互聯(lián)子系統(tǒng)構(gòu)成。如果存在漏洞，重點就必須放在系統(tǒng)集成時的接口上。這極具挑戰(zhàn)性，也引出了責(zé)任歸屬問題：這究竟是誰的事？各方單獨可能都符合規(guī)范，但集成時仍會出現(xiàn)意料之外的問題。提升供應(yīng)鏈全流程透明度，完善組件裝配的可審計性與可追溯性，將大有裨益。”

相關(guān)工作已從小芯片層面啟動。Guilley 表示：“我們正與 UCIe 等標準組織合作，并參考相關(guān)法規(guī)，在芯片內(nèi)部直接建立可追溯性與透明度。思路是從芯片底層構(gòu)建供應(yīng)鏈安全信任，我們認為這種方法未來應(yīng)得到更廣泛應(yīng)用，甚至在全供應(yīng)鏈實現(xiàn)標準化?！?/p>

后量子密碼（PQC）

安全專家表示，后量子密碼是最緊迫的問題，需要立即著手應(yīng)對。在后量子密碼領(lǐng)域，最緊迫卻討論不足的安全問題是 TNFL機制。新思科技安全 IP 解決方案產(chǎn)品管理高級總監(jiān) Dana Neustadter 表示：“我認為這一威脅并未得到足夠重視。人們常從保密性角度談?wù)揌NDL，但 TNFL 卻少有關(guān)注，它會動搖我們生活中所有安全體系的根基，因為它能回溯影響過往事物。其一，攻擊者可偽造一份文件，使其看似在過去簽署；其二，過往真實且可驗證的內(nèi)容將不再可證。如今受期限與壓力驅(qū)動，抗量子方案和后量子密碼遷移愈發(fā)普遍，但 TNFL 的風(fēng)險規(guī)模仍不明確?！?/p>

其他業(yè)內(nèi)人士也認同量子威脅的嚴重性。Synaptics副總裁 David Garrett 稱：“后量子安全已被公認為重要議題。盡管后量子技術(shù)尚未完全成熟可落地部署，但眾多機構(gòu)正積極籌備集成。業(yè)界高度重視應(yīng)對后量子技術(shù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，做好充分準備。深入研究量子計算會發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)走向?qū)嵱萌杂泻荛L的路要走，但安全領(lǐng)域已面臨巨大挑戰(zhàn)，因為它給應(yīng)用開發(fā)與調(diào)試設(shè)置了障礙?！?/p>

美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）正大力推進相關(guān)工作。Neustadter 表示：“數(shù)字簽名、CNSA 標準及相關(guān)期限備受關(guān)注，正因 TNFL 問題需要后量子密碼與抗量子數(shù)字簽名來解決。此外還有其他加密機制，相關(guān)推動工作也在進行，但必須全面落地?！?/p>

NIST 正積極標準化并推廣可抵御未來量子計算機攻擊的 PQC 算法，于 2024 年發(fā)布首批三項最終 PQC 標準，目前正致力于敲定更多標準、制定遷移指南，并通過國家網(wǎng)絡(luò)安全卓越中心（NCCoE）推動互操作性測試。

汽車場景下的 PQC 面臨特殊挑戰(zhàn)。車企往往難以管理眾多子部件，導(dǎo)致 PQC 問題監(jiān)控格外復(fù)雜。Cadence安全產(chǎn)品營銷集團總監(jiān) Yan-Taro Clochard 指出：“在典型 IT 環(huán)境中，用戶通常不清楚加密技術(shù)在系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用位置，因此要耗費大量成本梳理加密使用情況。這些細節(jié)對 PQC 至關(guān)重要，因為一旦失去可視性，僅靠軟件幾乎無法追蹤完整子系統(tǒng)。解決這一難題對提升整體安全管理至關(guān)重要。”

現(xiàn)代汽車搭載多達 150 個ECU，均來自不同一級供應(yīng)商，形成極為復(fù)雜的供應(yīng)鏈。Rambus 硅 IP 產(chǎn)品管理高級技術(shù)總監(jiān) Scott Best 表示：“其中約半數(shù) ECU 與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)，這也是現(xiàn)代汽車常被稱作‘車輪上的數(shù)據(jù)中心’的原因，堪稱網(wǎng)絡(luò)威脅的密集攻擊目標。當下汽車網(wǎng)絡(luò)安全格局以 ISO/SAE 21434 為工程基石，聯(lián)合國 WP.29 R155 與 R156 法規(guī)將網(wǎng)絡(luò)安全和安全升級定為強制要求，而非最佳實踐或產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。對于為一級供應(yīng)商供貨的芯片廠商而言，這些標準意味著要將信任根直接嵌入芯片，安全啟動、受保護密鑰存儲、硬件隔離加密技術(shù)以及供應(yīng)鏈權(quán)屬鏈安全機制，已成為交付芯片的必備條件。”

安全算法 vs 安全實現(xiàn)

是德科技 EDA 創(chuàng)新總監(jiān) Durga Ramachandran 認為，PQC 最亟待解決的問題，是彌合 “安全算法” 與 “安全實現(xiàn)” 之間的差距，尤其是在真實硬件約束條件下。

Ramachandran 列舉了四大核心量子安全問題。

第一，設(shè)計人員誤以為采用 NIST 認證的 PQC 算法，實現(xiàn)就必然安全。但安全的算法不等于安全的實現(xiàn)。PQC 方案在數(shù)學(xué)上可抵御量子攻擊，可一旦映射到真實芯片、FPGA 和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，就會面臨側(cè)信道泄露、故障注入、時序特性、內(nèi)存與功耗限制等所有傳統(tǒng)問題。

第二，PQC 同樣無法避免 AES/RSA/ECC 面臨的攻擊，包括故障注入（電壓、電磁、激光、溫度等）和側(cè)信道泄露（功耗、電磁、時序，甚至聲學(xué)或其他輻射）。

第三，PQC 實現(xiàn)的面積和時延可能是傳統(tǒng)加密技術(shù)的 10 至 1000 倍。增加抗故障注入 / 側(cè)信道攻擊防護會進一步大幅增加面積、功耗與時延（可達 4 至 8 倍甚至更高），導(dǎo)致架構(gòu)師極易為滿足功耗、性能、面積（PPA）和時序要求而在安全上妥協(xié)，而這正是可被利用的漏洞所在。最終結(jié)果是，硬件上實現(xiàn)安全 PQC 的復(fù)雜度與成本急劇攀升。

第四，安全未被盡早納入架構(gòu)設(shè)計階段。芯片流片后便無法回退，因此迫切需要將 PQC 和硬件攻擊思路融入早期架構(gòu)與規(guī)格定義階段。這意味著要識別關(guān)鍵資產(chǎn)（密鑰、長效機密、密鑰使用模式），確定其存儲位置、留存時長、使用頻率，并在 RTL 凍結(jié)或掩膜版制作前規(guī)劃防護措施與權(quán)衡方案。

AI 攻擊

量子攻擊并非讓安全專家擔(dān)憂的唯一潛在威脅，AI 又帶來了新的緊迫問題。

新思科技Neustadter 表示：“AI 系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)能力，且運算速度極快。它能從特定威脅或攻擊中學(xué)習(xí)，實時調(diào)整，能力強大到現(xiàn)有系統(tǒng)難以應(yīng)對。談及 AI 對對抗性攻擊的影響，既要打造安全的 AI 系統(tǒng)，也要理解 AI 用于攻擊時的后果。我指的是 AI 加速勒索軟件，這并非個別現(xiàn)象，AI 會不斷學(xué)習(xí)進化，攻擊能力持續(xù)提升?，F(xiàn)有技術(shù)能否跟上節(jié)奏？我看到了 AI 的諸多正面價值，以及全球?qū)υ摷夹g(shù)的巨額投入，它本質(zhì)上是萬物與生活的進化。我對此充滿信心，但仍需更多監(jiān)管，包括 AI 系統(tǒng)治理，相關(guān)清單已十分冗長?！?/p>

芯片架構(gòu)師與設(shè)計人員為此投入大量精力，并由此延伸考慮系統(tǒng)其他部分。Synaptics Garrett 指出：“開發(fā)設(shè)備固件時，我希望擁有完全控制權(quán)，能監(jiān)控所有運行狀態(tài)、核查細節(jié)、定位問題。調(diào)試本身并不復(fù)雜，可一旦涉及安全，就會失去訪問權(quán)限與可視性，所有內(nèi)容都受保護，帶來巨大挑戰(zhàn)。設(shè)備鎖定會大幅拖慢調(diào)試進度。不過業(yè)內(nèi)已有相關(guān)解決方案，例如 Arm 劃分安全與非安全域，保障應(yīng)用安全，我們也采用內(nèi)存保護與加密模型。”

由行業(yè)發(fā)起成立的 CHERI 聯(lián)盟也在持續(xù)開展研究，該聯(lián)盟研發(fā)了能力硬件增強 RISC 指令集（CHERI）安全技術(shù)。

Garrett 表示：“數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中傳輸時，如何保護單個指針至關(guān)重要。核心挑戰(zhàn)在于讓工程師高效開發(fā)調(diào)試的同時保障安全，例如避免為調(diào)試方便而共享機密密碼。在不犧牲防護的前提下提升開發(fā)便捷性，是個需要審慎應(yīng)對的復(fù)雜問題?！?/p>

隨著這些挑戰(zhàn)不斷演變，解決互聯(lián)系統(tǒng)安全的技術(shù)與監(jiān)管問題愈發(fā)關(guān)鍵，這也為深入探討隱私與數(shù)據(jù)保護如何與先進汽車技術(shù)融合奠定了基礎(chǔ)。以特斯拉用戶為例，用戶依賴云端互聯(lián)服務(wù)，特斯拉手機應(yīng)用與車主門戶均通過加密通道與后端系統(tǒng)通信。哨兵模式實時畫面等敏感直播流采用端到端加密，僅車主可查看。用戶可通過綁定賬戶的安全下載鏈接申請導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

汽車領(lǐng)域安全隱患

汽車領(lǐng)域充斥著潛在安全問題。隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）愈發(fā)復(fù)雜，電子與軟件組件不斷增加，網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險持續(xù)上升。如今，就連車載內(nèi)存也成為潛在攻擊途徑。

是德科技 EDA 內(nèi)存解決方案項目經(jīng)理 Randy White 表示：“為保護 DRAM 免受行錘攻擊、降低數(shù)據(jù)損壞風(fēng)險，JEDEC 數(shù)據(jù)完整性工作組制定了一系列功能，包括行激活計數(shù)器，以保障數(shù)據(jù)安全。相關(guān)考量與討論還需契合 AEC-Q100、ISO 26262 等外部標準及其他可靠性與安全規(guī)范?！?/p>

相關(guān)標準主要針對三大場景提供防護：車輛內(nèi)部、車與云端傳輸過程、后端系統(tǒng)。以特斯拉為例，操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)、日志與部分設(shè)置存儲在車內(nèi)內(nèi)置閃存中，車輛內(nèi)部設(shè)有保護機制，守護軟件中的個人數(shù)據(jù)，同時具備恢復(fù)出廠設(shè)置功能，可在車主出售或轉(zhuǎn)讓車輛前徹底清除個人數(shù)據(jù)。

“車輛、應(yīng)用與云端之間的傳輸環(huán)節(jié)” 涵蓋特斯拉為保護傳輸中個人數(shù)據(jù)采取的安全措施，包括車輛、服務(wù)器與手機應(yīng)用之間的加密連接。特斯拉后端系統(tǒng)僅對特定崗位員工開放，數(shù)據(jù)存儲于安全數(shù)據(jù)中心?？傮w而言，消費者對自身數(shù)據(jù)與使用記錄擁有部分控制權(quán)，但非全部。

White 表示：“總而言之，內(nèi)存只是其中一個組件。從整體來看，特斯拉和所有整車廠商都必須實施零信任安全策略。該模式遵循‘永不信任，始終驗證’原則，確保嚴格的訪問控制與對用戶、設(shè)備的持續(xù)驗證。特斯拉通過加密、訪問控制與車內(nèi)安全功能組合保護所收集的全部數(shù)據(jù)，但其具體加密實現(xiàn)與內(nèi)部管控僅做了概括性說明，未披露完整技術(shù)細節(jié)。”

要實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)多級安全防護，需采用分層方案，從芯片層面延伸至車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)。Cadence Clochard 表示：“硬件層面通過內(nèi)置信任根與加密機制保護數(shù)據(jù)，從生成伊始就保障其完整性與機密性。ECU 之間的通信采用 MACsec、安全 CAN/J1939 等標準，保障數(shù)據(jù)真實性，支撐 ADAS 與自動駕駛系統(tǒng)關(guān)鍵的功能安全需求。除數(shù)據(jù)保護外，還需按照汽車相關(guān)標準（如 ISO 21434）要求管理入侵檢測、漏洞與安全生命周期。長期防護還依賴安全啟動、固件升級以及專為抵御未來威脅設(shè)計的加密技術(shù)，包括后量子密碼。通過結(jié)合硬件安全、安全通信與生命周期管理，可在滿足現(xiàn)代汽車系統(tǒng)高安全可靠性標準的同時，守護車輛數(shù)據(jù)?！?/p>

英飛凌產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Robert Bach 表示，部分車企已著手部署硬件安全方案，尤其是因產(chǎn)品壽命長而提前布局的整車廠商?！安糠制髽I(yè)正應(yīng)對量子計算威脅，也有企業(yè)希望利用量子計算機開展各類有益應(yīng)用。英飛凌設(shè)有小型團隊研發(fā)量子計算算法，以優(yōu)化供應(yīng)鏈。半導(dǎo)體供應(yīng)商擁有數(shù)十萬客戶、數(shù)十億件產(chǎn)品，供應(yīng)鏈協(xié)同是重大挑戰(zhàn)，而量子計算機具備強大的優(yōu)化能力。即便只有 250 個量子比特，其計算能力也可媲美宇宙級運算。盡管我們身處行業(yè)，存在安全顧慮，但量子計算的潛在機遇無比巨大?！?/p>

隨著行業(yè)持續(xù)發(fā)展，這些安全策略必須適配愈發(fā)復(fù)雜的車輛系統(tǒng)與日益增長的互聯(lián)技術(shù)依賴度。這凸顯了采用綜合方案應(yīng)對汽車網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與運營挑戰(zhàn)的必要性，也將推動新標準與規(guī)范落地，保障數(shù)據(jù)完整性與駕乘人員安全。

汽車行業(yè)對現(xiàn)代車輛的認知正在轉(zhuǎn)變，車輛愈發(fā)被視作 “車輪上的計算機”，尤其是隨著自動駕駛技術(shù)發(fā)展。Imagination Technologies 產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)安全經(jīng)理 Jaroslaw Szostak 指出：“以運行于倫敦希思羅機場與維多利亞汽車站之間的自動駕駛接駁車為例，乘客依賴車輛安全送達，這體現(xiàn)了功能安全的重要性。除保障運行可靠性外，還必須解決安全問題，防止攻擊者危及乘客安全。傳統(tǒng)模式下，駕駛員可應(yīng)對突發(fā)狀況或監(jiān)控行程，但邁向完全自動駕駛后，新挑戰(zhàn)隨之而來。我們的應(yīng)對思路是，全面梳理各應(yīng)用場景，開展詳盡威脅分析與風(fēng)險評估，識別潛在威脅與攻擊路徑，進而制定風(fēng)險緩解方案。”

這是一項重大挑戰(zhàn)，硬件安全模塊（HSM）組件尤為突出。Szostak 表示：“目前已有 FIPS、通用評估準則、PCIe 等成熟標準，尤其適用于智能卡與銀行業(yè)。但 GPU 尚無相關(guān)標準，且 GPU 通常不被視為安全或與安全相關(guān)的組件。原因在于 GPU 不直接連接車輛總線（如底盤總線），而是通過 CPU 接口。相比之下，CPU 通常支持安全啟動、安全數(shù)據(jù)存儲與硬件信任根等功能，因此我們高度依賴 CPU 保障安全?！?/p>

另一項挑戰(zhàn)是讓 GPU 被認定為網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)組件?！拔覀兇_保固件認證，僅使用合法虛擬機軟件，并梳理潛在攻擊向量。區(qū)域架構(gòu)涉及虛擬化與多租戶場景，引發(fā)諸多重要的假設(shè)性問題。例如，若系統(tǒng)融合模塊與信息娛樂或遠程信息處理模塊共享，會發(fā)生什么？媒體報道常曝出信息娛樂系統(tǒng)存在漏洞，甚至有句玩笑話：若問題原因不明，就歸咎于信息娛樂系統(tǒng)。GPU 主要用于信息娛樂與融合模塊，這一背景至關(guān)重要。”

相關(guān)工作已取得進展。2016 年，SAE 發(fā)布網(wǎng)絡(luò)安全指南 SAE J3061《信息物理車輛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全指南》。Szostak 表示：“彼時 J3061 僅為指南，部分企業(yè)僅將其作為參考，而非強制要求。但聯(lián)合國 WP.29 出臺法規(guī)后，監(jiān)管格局發(fā)生重大變化，合規(guī)從建議變?yōu)檐囕v型式認證與銷售的必要條件。隨著 R155 與 R156 標準落地，廠商必須實施網(wǎng)絡(luò)安全管理體系（CSMS）與軟件升級管理體系（SUMS）。對我們而言，這意味著固件開發(fā)需遵循安全設(shè)計原則，首先搭建完善的 CSMS。SUMS 則確保所有固件升級在無充分文檔說明與合理解釋的情況下，不得新增功能或禁用現(xiàn)有功能。準確記錄所有變更至關(guān)重要，因為整車廠商申請型式認證時需接受相關(guān)審核?！?/p>

例如，搭載高級安全功能的車輛依賴特定傳感器校準參數(shù)，如激光雷達或雷達固定測距范圍。這些參數(shù)必須保持不變，以保障車輛完整性與安全性，擅自修改會改變性能表現(xiàn)，帶來未經(jīng)測試的風(fēng)險。Szostak 補充道：“此外，責(zé)任問題也要求校準參數(shù)等內(nèi)容禁止用戶擅自修改，未經(jīng)授權(quán)的變更會損害品牌形象，引發(fā)重大安全隱患。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)采用加密技術(shù)與硬件解決方案（如利用 GPU）保護配置并驗證其完整性，即便有人通過硬件接口試圖篡改，廠商也能證明配置未被改動。最終，這些措施將在車輛全生命周期內(nèi)保障合規(guī)性與終端用戶安全?！?/p>

事實上，部分業(yè)內(nèi)人士認為，汽車網(wǎng)絡(luò)安全的最大威脅來自傳感器。西門子 EDA 汽車與軍工航空領(lǐng)域混合物理及虛擬系統(tǒng)副總裁 David Fritz 表示：“當傳感器直接接入汽車以太網(wǎng)時，我認為傳感器廠商并未充分考慮防范偽造攻擊的問題。常見案例是，向攝像頭注入虛假數(shù)據(jù)，傳輸至中央計算與感知系統(tǒng)，讓車輛誤以為前方存在不存在的障礙物，進而采取規(guī)避操作引發(fā)事故。這是最大的隱患之一?！?/p>

總結(jié)

下一代芯片安全必須被視為首要架構(gòu)約束條件，而非后期追加功能，需從設(shè)計第一天就融入后量子密碼、安全實現(xiàn)方案與產(chǎn)品長壽命考量。

選擇合適的算法至關(guān)重要，同時要彌合數(shù)學(xué)安全設(shè)計與物理安全硬件之間的差距，管理復(fù)雜供應(yīng)鏈、AI 加速攻擊以及日益軟件定義的汽車。歸根結(jié)底，構(gòu)建互聯(lián)系統(tǒng)的信任需要覆蓋芯片、軟件、傳感器與云端基礎(chǔ)設(shè)施的全分層綜合方案。

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