基于多源信息融合的集成电路芯片旁路分析新方法研究

At present, side-channel attack has become the biggest threat to the security of integrated circuit chips, which is performed by the use of physical leakages. The improvements of semiconductor technics and the leakage defense technology bring new challenges to the side-channel attack. Meanwhile, the development of measurement technology provides new opportunities for the development of side-channel attack .The main research of the project is to study novel side-channel attack methods based on multi-information fusion, which includes the followings: (1) analyze the mechanisms of side-channel leakages, provide the formal analysis of multi-information construct the frequency leakage model and nonlinear leakage model; (2) study high order attack methods, multiple leak points of a single trace at different times will be analyzed and used to challenge typical masking and permutation countermeasures; (3) study space side-channel analysis methods, the secure influence of multiple leak points at local area will be explored to reduce the attack complexity; (4) study combined side-channel attack analysis, different distinguishers and different types of side-channel leakages will be exploited and combined to optimize the attack efficiency; (5) develop the self-made hardware and software side-channel analysis platform, exploit the distance limit of remote electromagnetic attack and the residual entropy of the secret key. The project will make breakthrough in integrated circuit detection theory, evaluation method and independent platform, enrich the domestic integrated circuit safety detection means, satisfy the requirement for scientific research and practical security evaluation.

当前，基于物理泄露的旁路攻击技术已成为集成电路芯片安全的最大威胁。集成电路工艺改进、泄露防护技术发展给旁路攻击带来了新挑战；同时，测试计量技术发展又为旁路攻击发展提供了新机遇。本课题主要研究基于多源信息融合的集成电路旁路分析新方法，具体包括：（1）研究芯片集成电路芯片旁路泄露机理和多源泄露形式化描述方法，构建频域泄露模型和非线性泄露模型；（2）研究高阶旁路分析方法，分析单轨迹不同时刻的多个泄露点，挑战各类掩码、混淆防护实现安全性；（3）研究空间旁路分析方法，认知区域多泄露点对安全影响，降低现有攻击复杂度；（4）研究组合旁路分析方法，挖掘组合不同旁路区分器和旁路泄露，优化攻击效率；（5）研制旁路分析软硬件平台，探索基于远场电磁泄露的攻击距离极限、基于概率分布利用的密钥剩余熵极限。项目将在集成电路旁路检测理论、分析方法、评测平台等方面形成突破，丰富集成电路安全评测手段，满足科学研究和评测需要。

密码集成电路是确保国家信息安全的核心器件，其安全性至关重要。一旦其设计、实现、运行出现漏洞或缺陷，将直接威胁到国家信息安全。综合利用机器学习、统计学和信号处理等理论，开展基于多源信息融合的密码旁路分析研究具有重要现实意义。.对密码集成电路的多源旁路泄露进行采集、处理、建模、密钥还原和信息防护等进行了系统的分析。研究了先进工艺下电路功耗、电磁辐射信息特征，以及基于机器学习的非线性泄露模型构建方法。使用统计方法对有效点进行评估，利用信息熵选取有效点，实现了基于动态阈值的强相关空间旁路泄露取样。研究了基于线性回归的高阶旁路分析、针对掩码防护和混淆防护的高阶旁路分析方法、基于统计分析的空间旁路分析方法、基于旁路信息和数学分析的组合类旁路分析方法、基于“全盲”灰盒模型的旁路泄露分析方法。基于差分分析、模板分析、深度学习，利用互信息分析、频域分析、高阶分析等组合方法，设计了新型旁路分析方法和算法。针对代数碰撞旁路攻击、代数旁路分析等“密钥整体穷举”类分析方法等，实现了完整密钥的穷举方法和搜索空间的估计方法，利用密钥剩余熵实现了对密钥的恢复。.本课题基于旁路泄露的特征空间分离特性和分类特征量开展了旁路攻击技术研究，搭建了旁路泄露采集平台，研制了信号采集装置，获取了功耗、电磁、时间，以及密码运算和存储过程等旁路泄露的多维时空数据，并用于旁路分析算法验证，提高了旁路攻击分析效率。.研究成果为新型旁路攻击算法的设计和优化、构建复合型旁路攻击模型、探索旁路攻击的理论极限、制定密码芯片安全评估标准等提供了新的研究方法，开辟了新的研究途径。可以丰富和发展国产集成电路抗旁路分析安全检测手段，提高检测效率和准确率，提升国产集成电路的安全性，对进一步密码芯片防护理论与方法的研究有重要理论指导意义。