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假芯片泛濫，芯片大廠們?nèi)绾未蚣伲?/h1>
2023-09-08 20:34:51 來源: 騰訊網(wǎng)

隨著越來越多的芯片被用于安全及關(guān)鍵應(yīng)用中，廠商對(duì)假芯片的擔(dān)憂與日俱增，這也推動(dòng)了對(duì)芯片可追溯性的要求，廠商也在積極尋找性價(jià)比更高的方案來確定芯片到底是全新的還是二手的。不過，假芯片還是防不勝防，而且芯片越是短缺，假芯片的問題就越嚴(yán)重。

不同機(jī)構(gòu)對(duì)假芯片所造成的收入與工作損失的評(píng)估差距很大。2017 年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）將損失定為 1700?億美元。同年，半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，假芯片每年給芯片行業(yè)造成 75 億美元的損失。但所有這些都發(fā)生在新冠疫情之前，新冠造成了汽車和家電等市場(chǎng)的芯片嚴(yán)重短缺和漫長的等待時(shí)間，尤其是8英寸的成熟制程芯片。


(資料圖)

目前為止，這些芯片短缺所造成的虧損還沒有得到很好的估計(jì)。但是，關(guān)于如何識(shí)別和防止假芯片的研究已經(jīng)很多。

佛羅里達(dá)大學(xué)電器與計(jì)算機(jī)工程系（ECE）主任Mark Tehranipoor將假芯片分成了五類：回收的、克隆的、重新標(biāo)記的、過度生產(chǎn)的和偽造的。他表示，哪種偽造方法被用得最多，或者哪種情況出現(xiàn)得更多，實(shí)際上取決于芯片的類型和市場(chǎng)對(duì)芯片的需求。當(dāng)我們遇到芯片短缺時(shí)，假芯片的數(shù)量就上升了。這是因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)這個(gè)芯片有需求，而造假者知道這一點(diǎn)，所以會(huì)試圖向市場(chǎng)推出一些有需求的芯片。此外，大部分短缺的芯片實(shí)際上是用較舊的技術(shù)制造的，而不是最先進(jìn)的技術(shù)。事實(shí)上，最新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的芯片并不短缺，短缺的是65nm、90nm和130nm的芯片。

“隨著供應(yīng)鏈的擴(kuò)大，芯片造假問題也日益嚴(yán)重，其嚴(yán)重程度超出了大多數(shù)芯片廠商的想象。”英飛凌品牌保護(hù)與防偽安全顧問Konrad Bechler說。當(dāng)涉及手表或名牌服裝等消費(fèi)品時(shí)，在奇怪的地方以低廉的價(jià)格買到這些產(chǎn)品可能表明這些產(chǎn)品是假貨。但芯片買家往往沒有意識(shí)到半導(dǎo)體元件也是如此。如果把這當(dāng)作一個(gè)無關(guān)緊要的話題，假芯片可能會(huì)變成一個(gè)嚴(yán)重的問題，這意味著這些芯片不符合制造商的期望或規(guī)格。

假芯片還有可能威脅到生命安全，想想在車禍中如果安全氣囊無法正常展開，或者在生命危急的情況下自動(dòng)電除顫器這樣的醫(yī)療設(shè)備無法工作。這只是兩個(gè)使用案例，但半導(dǎo)體已經(jīng)是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑傩酒芸赡軙?huì)導(dǎo)致人的死亡。

異構(gòu)集成和小芯片（Chiplets）也增加了假芯片的威脅。Rambus公司防偽產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)Scott Best說：“如果有人要把嵌入式內(nèi)存芯片放到裸片上，使3nm處理器在不脫離芯片的情況下?lián)碛幸恍┣度胧絻?nèi)存，那么這個(gè)嵌入式內(nèi)存芯片就不是在3納米工藝中制造的。它采用的是針對(duì)嵌入式內(nèi)存而優(yōu)化的技術(shù)，而不是針對(duì)高性能計(jì)算的技術(shù)。但是，在CPU 供應(yīng)商與內(nèi)存供應(yīng)商的合作過程中，無法保證其他芯片沒有被克隆、復(fù)制，供應(yīng)鏈中沒有被植入惡意的東西。這個(gè)問題是可以被解決的，但需要注意的是，它不再只是一個(gè)電子產(chǎn)品的安全問題，而是一個(gè)供應(yīng)鏈安全的問題。”

01

假芯片怎么來的？

假芯片產(chǎn)生的原因和方式有多種。“最明顯的原因是節(jié)省成本。”Bechler說，“許多設(shè)備制造商面臨價(jià)格壓力，不得不生產(chǎn)成本中等的產(chǎn)品。這可能會(huì)促使他們尋找更便宜的方式來開發(fā)他們的產(chǎn)品。有了這種心態(tài)，他們很可能會(huì)收到假的部件。購買造假產(chǎn)品的另一個(gè)動(dòng)機(jī)是，某些部件已經(jīng)停產(chǎn)，但一些制造商可能仍需要它們進(jìn)行常規(guī)生產(chǎn)或作為備件。這是由于設(shè)備是根據(jù)最終產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證的，任何更改都非常昂貴。漫長的交貨期可能是另一個(gè)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，制造商希望為客戶服務(wù)，并以其他方式獲得相應(yīng)的組件，造假者也正是利用了這一點(diǎn)。”

至于解決這個(gè)問題的最佳方法，Tehranipoor說，這取決于假芯片的類型，因?yàn)椴⒎撬屑傩酒际且粯拥摹！爸灰锌苫厥盏男酒魏稳硕伎梢宰觥Ｊ澜缟先魏蔚胤降娜魏稳硕伎梢詮膹U棄的PCB上取出芯片，將它們清理干凈，然后將它們重新投入市場(chǎng)。這不需要大量的資源或金錢。所有類型的假芯片中有80%是回收再利用的，這種方式是如此的普遍。因?yàn)檫@很容易——任何人都可以做到——并不需要投入數(shù)百萬美元。”

克隆更為復(fù)雜，特別是涉及逆向工程時(shí)。“假設(shè)一個(gè)IP是非法獲得的，”他說，“然后，人們可以在全球的許多代工廠制造它。竊取IP需要更高的技術(shù)水平，所以你不會(huì)為了賣幾美元的芯片而這么做。這通常是針對(duì)價(jià)格較高的芯片進(jìn)行的，因?yàn)槟嫦蚬こ炭赡芎馨嘿F。雖然我不能說所有類型的芯片都是如此，但隨著芯片變得越來越昂貴，它們可能需要更多的努力和更高的復(fù)雜程度才能被偽造。”

02

如何避開假芯片

阻止假芯片的流動(dòng)需要整個(gè)供應(yīng)鏈的共同努力。這種情況正在被改善，但并不是所有類型的芯片都被采取了必要措施。

“有些解決方案已經(jīng)變得更容易被接受，也更容易實(shí)施，”Tehranipoor說，“例如，回收實(shí)際上很容易被發(fā)現(xiàn)。如果你在你的芯片里放一個(gè)“里程表”，這是非常便宜的，它會(huì)很容易地告訴你芯片是否被使用過，以及使用了多長時(shí)間。越來越多的公司似乎接受了，將低成本措施（如里程表）納入其集成電路以幫助解決這一問題的想法。使用電子芯片ID也很容易解決重新標(biāo)記問題，但這主要適用于大型電路。而克隆和過度生產(chǎn)的假芯片則是很難解決的。”

其他人則指出了類似的方法。“人們一直把重點(diǎn)放在視覺檢測(cè)上，但電子檢測(cè)也可以做一些事情，”Synopsys科學(xué)家Mike Borza說，“有趣的是，一些SLM技術(shù)有辦法在你收到芯片之前測(cè)量老化，或者至少是芯片的使用情況。有些涉及直接計(jì)數(shù)器“里程表”，但也有其他種類的里程表是基于硅的使用年齡。這意味著你可以檢測(cè)系統(tǒng)的變化，如振蕩器頻率或PLL的調(diào)諧參數(shù)。這些東西能夠表明一個(gè)模具在出售給你的時(shí)候已經(jīng)被使用了多次，超乎你的想象。這都是信任和保證計(jì)劃的一部分，旨在推動(dòng)這些技術(shù)的發(fā)展，使它們更容易獲得并使其更易于使用。

其中一些與芯片的I/O有關(guān)，但大部分都集中在時(shí)鐘基礎(chǔ)設(shè)施上。Borza說，在PVT顯示器和性能監(jiān)測(cè)方面就有很多，人們正在將其用于某些類型的芯片。“如果你想到一個(gè)大型人工智能加速器，它實(shí)際上是一系列非常相似的東西，當(dāng)我將負(fù)載轉(zhuǎn)移到芯片的不同部分時(shí)，如果芯片的一個(gè)區(qū)域運(yùn)行得太熱，你可以重新定向功耗，因?yàn)樗诠δ苌先匀皇堑刃У摹Ｄ阈枰獙?duì)要處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定向。這是出于熱原因的一種負(fù)載平衡形式。”

圖1：NIST 開發(fā)出一種方法，將鋁原子插入硅中幾納米的距離，從而為關(guān)鍵集成電路制造出一種新型 ID 標(biāo)簽。來源：NIST

03

對(duì)抗假芯片

是整個(gè)供應(yīng)鏈的挑戰(zhàn)

供應(yīng)鏈本身的安全更為復(fù)雜。“在供應(yīng)鏈安全方面，你正在將我們所說的物理信任轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有湃巍！盧ambus Best說，“因此，在世界的某個(gè)地方，有一個(gè)氣隙系統(tǒng)HSM（硬件安全模塊），它正在對(duì)固件映像進(jìn)行簽名，創(chuàng)建密鑰材料，并在晶圓分揀過程中使用測(cè)試設(shè)備對(duì)芯片上的電路進(jìn)行驗(yàn)證。

在晶圓分揀步驟中，物理的信任正以加密方式轉(zhuǎn)化為芯片的信任。當(dāng)芯片離開晶圓分揀，被幾十個(gè)人誤操作，幾周后出現(xiàn)在最終測(cè)試設(shè)備上時(shí)，你怎么知道它是同一塊芯片？現(xiàn)在你可以測(cè)試它了，因?yàn)镠SM是在物理安全、生物識(shí)別和看門狗的保護(hù)下處于脫機(jī)狀態(tài)。它處于鎖定和鑰匙監(jiān)督之下。現(xiàn)在，當(dāng)晶圓出現(xiàn)時(shí)，物理信任已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧用苄湃巍?/strong>這就是供應(yīng)鏈安全的本質(zhì)。我們也致力于此，事實(shí)上，當(dāng)我們向防偽客戶交付產(chǎn)品時(shí)，我們會(huì)幫助他們管理這些芯片的供應(yīng)鏈，因?yàn)檫^度制造是一個(gè)問題。這是克隆芯片的最簡單方法。你訂購10萬片，工廠生產(chǎn)12萬個(gè)。因此，10萬個(gè)從前門出去，另外2萬個(gè)從后門出去，它們是完全兼容的。

雖然假定所有假芯片都能被阻止是不現(xiàn)實(shí)的，但數(shù)量肯定是可以減少的。“當(dāng)你考慮供應(yīng)鏈協(xié)作時(shí)，你會(huì)看到一個(gè)非常大的生態(tài)系統(tǒng)，他們錯(cuò)失了很多利益相關(guān)者，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司電子和半導(dǎo)體部門副總裁Alan Porter說，“重要的是要提高透明度，并確保生態(tài)系統(tǒng)中的所有利益相關(guān)者之間保持良好的溝通，無論是制造商、供應(yīng)商還是分銷商，這些人需要解決方案和技術(shù)來幫助他們識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)采取行動(dòng)來減輕這些風(fēng)險(xiǎn)。”

Porter說，生態(tài)系統(tǒng)參與者可以在一個(gè)值得信賴的市場(chǎng)中建立聯(lián)系，在那里他們能夠了解和獲取不同的組件。這種方法目前還不成熟，但企業(yè)正意識(shí)到他們需要做到這一點(diǎn)。這是西門子在2021年收購Supplyframe的關(guān)鍵原因之一。

安全的供應(yīng)鏈?zhǔn)侨魏畏纻斡?jì)劃的一個(gè)重要方面。“由原始部件制造商（OCM）批準(zhǔn)的安全供應(yīng)鏈可以確認(rèn)產(chǎn)品的原產(chǎn)地、批次完整性及其處理、存儲(chǔ)和運(yùn)輸質(zhì)量。”Bechler 說，“只有直接在OCM或從OCM授權(quán)分銷商處購買產(chǎn)品，才是避免意外的最佳途徑。對(duì)于已停產(chǎn)的產(chǎn)品，客戶還應(yīng)向OCM確認(rèn)是否有提供長期儲(chǔ)存的分銷商。如果沒有這樣的分銷商，知識(shí)淵博的FAE最了解如何以合理的成本改造設(shè)計(jì)。有時(shí)會(huì)有現(xiàn)成的替代品，有時(shí)新設(shè)計(jì)甚至?xí)p少材料清單（BOM）。”

英飛凌不斷向客戶提供有關(guān)在公開市場(chǎng)或可疑來源購買組件的風(fēng)險(xiǎn)信息。“為了提高政府部門的意識(shí)，我們定期對(duì)美國、歐盟和大中華區(qū)的海關(guān)進(jìn)行培訓(xùn)，向他們傳授如何識(shí)別和扣押可疑貨物的知識(shí)，”Bechler 說，“我們還與SIA（半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)）等不同協(xié)會(huì)或政府經(jīng)濟(jì)組織合作，提高人們對(duì)假冒風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。”

但所有的環(huán)節(jié)都必須連接起來。“我們一直在尋找提供連接這些環(huán)節(jié)所需的可追溯性和數(shù)據(jù)來源的方法，或多或少像CSI類型的證據(jù)鏈，”porter說。“在這里，你可以了解事情的來龍去脈，一直追溯到原材料，了解整個(gè)過程。雖然這與假冒沒有直接關(guān)系，但也可以偽造材料。因此，這個(gè)問題從原材料到產(chǎn)品制造，甚至從A點(diǎn)到B點(diǎn)之間的物流都會(huì)產(chǎn)生影響。”

軟件也可能損壞。一切都需要使用區(qū)塊鏈等技術(shù)進(jìn)行跟蹤和核算。

“現(xiàn)在有整個(gè)假冒設(shè)備市場(chǎng)，包括從舊設(shè)備中回收并重新銷售的好設(shè)備，以及從工廠悄悄流出的灰色設(shè)備，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司Tessent集團(tuán)產(chǎn)品營銷總監(jiān)Lee Harrison說，“這些設(shè)備并不是百分之百的好設(shè)備。它們基本上都是失敗品，但最終還是流入了黑市。我們真正關(guān)注的是提供所有嵌入式安全技術(shù)，以確保即使是在制造工廠內(nèi)部，這些設(shè)備也是經(jīng)過配置并獲得ID的。這樣，它們就可以一直追蹤到最終進(jìn)入車輛的位置。如果你需要更換車輛中的某個(gè)部件、ECU或電路板，你就可以追溯到它們的去向。”

此外，當(dāng)某個(gè)設(shè)備被定義為使用壽命到期時(shí)，如果嵌入式安全技術(shù)到位，它可以有效地關(guān)閉并且不能重復(fù)使用。“在這個(gè)領(lǐng)域有很多工作正在進(jìn)行，”Harrison觀察到，“利用?‘信任根’（Root of Trust）等技術(shù)，可以在供應(yīng)鏈中提供完整的端到端可追溯性。

汽車市場(chǎng)無疑走在了這一領(lǐng)域的最前沿，因?yàn)樵谶^去，甚至在今天，汽車中的替換零件和售后零件都是很好的。但隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，你真的想坐上一輛有人剛開到后街修車廠更換了ECU，而你卻不知道是從哪里來的汽車嗎？軟件也是如此。現(xiàn)在已經(jīng)有大量相關(guān)法規(guī)來確保你具備所有正確的要素，這樣你就能保證最終安裝在車輛上的軟件版本是該車的正確版本，并且沒有被篡改過。”

04

芯片廠商能做什么

Harrison指出，電子行業(yè)的其他細(xì)分市場(chǎng)正在迎頭趕上。“如果我們看一下物聯(lián)網(wǎng)，它可能略微落后于汽車行業(yè)。但那里有巨大的愿景，因?yàn)檫@些半導(dǎo)體供應(yīng)商正在虧損，所以專注于防偽符合他們的利益。”

對(duì)于芯片供應(yīng)商來說，這始終是一個(gè)成本與風(fēng)險(xiǎn)的問題。“假設(shè)X公司銷售了大量模擬芯片，”Tehranipoor說，“有些芯片以5美分的單價(jià)出售，你會(huì)在此基礎(chǔ)上把 1 美分的防偽解決方案成本加上去嗎？答案顯然是否定的。因此，許多公司都會(huì)進(jìn)行自己的風(fēng)險(xiǎn)分析，以決定是否在芯片中加入防偽解決方案。

盡管如此，Tehranipoor希望半導(dǎo)體原始設(shè)備制造商知道，如果在設(shè)計(jì)過程的早期就采取所有預(yù)防措施，假冒行為比他們想象的更容易被發(fā)現(xiàn)。“想象一下，你有一個(gè)小的身份驗(yàn)證IP可以放入芯片中，并且該IP將會(huì)告訴你芯片是否會(huì)被回收、克隆或重新標(biāo)記。”他說，“對(duì)于超過幾百萬個(gè)邏輯門的芯片來說，這很容易做到，這是值得的。它讓每個(gè)人都安心。當(dāng)我們轉(zhuǎn)向較小的芯片時(shí)，問題是風(fēng)險(xiǎn)成本分析。

公司能做些什么呢？其實(shí)什么也做不了，因?yàn)樗麄兩踔量赡軟]有數(shù)據(jù)來告訴你他們正在冒多大的風(fēng)險(xiǎn)。至于他們應(yīng)該為防偽投入多少資金？這很難說。畢竟，他們關(guān)心的是自己的底線和利潤率。如果達(dá)不到，他們就不會(huì)這樣做，除非存在未修復(fù)的漏洞。這是攻擊者投入時(shí)間和資源的問題。有時(shí)設(shè)計(jì)工程師知道這些漏洞的存在，有時(shí)卻不知道。如今，許多芯片在出廠時(shí)都存在已知的漏洞。可以說，芯片存在漏洞也是如此。修復(fù)這些漏洞可能會(huì)耽誤生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)的工作，這將給公司帶來巨大的損失。

安全也是相對(duì)的。“沒有所謂的安全。”Tehranipoor 說，“安全就像熊的攻擊。如果一只熊襲擊了你，而你們有五個(gè)人，你所要確保的就是你不是最后一個(gè)。一旦熊抓住了第一個(gè)人，其他四個(gè)人就安全了。有時(shí)，企業(yè)也會(huì)這樣看待安全問題。我能不能讓自己更安全一些，這樣就不會(huì)突然上新聞？就許多硬件漏洞而言，并不存在所謂的安全。沒有任何指標(biāo)可以給你這種信心。”

即便如此，Tehranipoor指出，芯片公司可以采取兩種方法——確定威脅模型和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)成本分析。“在半導(dǎo)體公司，他們經(jīng)常被問到一個(gè)簡單的問題：‘對(duì)公司的底線和聲譽(yù)風(fēng)險(xiǎn)最大，也最容易解決的攻擊是什么？’沒有必要找到風(fēng)險(xiǎn)最小的且最困難的攻擊，因?yàn)檫@樣公司必須花費(fèi)大量資金，最終只能獲得最小的回報(bào)。”

05

結(jié) 論

電子生態(tài)系統(tǒng)建立在非常安全的供應(yīng)鏈上，可以隨時(shí)追溯到制造商，但也有許多未經(jīng)授權(quán)的供應(yīng)商在真實(shí)的供應(yīng)鏈之外運(yùn)作。

“制造商通過合同和審核確保供應(yīng)鏈的持續(xù)安全，”英飛凌的Bechler說，“然而，由于價(jià)格始終是設(shè)備制造商的關(guān)鍵差異化因素，他們有時(shí)會(huì)不從授權(quán)分銷商處采購。在這種情況下，由于較低的定價(jià)結(jié)構(gòu)，他們的安全性可能會(huì)受到假冒產(chǎn)品的威脅。至關(guān)重要的是，供應(yīng)鏈的每個(gè)部分，從芯片制造商到軟件和設(shè)備提供商以及消費(fèi)者，都要從授權(quán)來源和分銷商處購買，以確保電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈的安全。”

在偽造方面，某些應(yīng)用程序比其他應(yīng)用程序更敏感。“對(duì)于像發(fā)射導(dǎo)彈或航天飛機(jī)這樣的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，需要進(jìn)行徹底的完整性評(píng)估，”Tehranipoor說。“任務(wù)的重要性越高，就越需要認(rèn)真對(duì)待我們安裝的電子設(shè)備的完整性。”

來源：內(nèi)容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）編譯自「Semiconductor Engineering」，作者：Ann Mutschler

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