Forschungsprojekt für Sicherheitschip-Design

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt ‚Härtung der Wertschöpfungskette durch quelloffene, vertrauenswürdige EDA-Tools und Prozessoren (HEP)‘ verwendet quelloffene, kostenlose Komponenten und Werkzeuge für die Herstellung eines Chips im IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik.

Mit den verwendeten Tools und Designs konnte das Forschungskonsortium innerhalb von zwei Jahren einen prototypischen Sicherheitschip definieren, entwerfen und fertigen. Das so gefertigte Hardware Security Module (HSM) stellt u.a. einen Krypto-Beschleuniger sowie manipulationssichere Sicherheitsfunktionen zur Verfügung. Die dabei verwendeten Tools wurden in eine gemeinsame Entwicklungsumgebung integriert und um fehlende Funktionalität erweitert. Das von Google getriebene Open Titan-Projekt ist ähnlich gelagert, aber mit HEP existiert jetzt das erste europäische Projekt. HEP zeichnet sich besonders durch einen sehr kurzen Entwicklungszyklus aus.

Sicherheitschips führen kryptographische Operationen aus und sollen Manipulationen, Fehlfunktionen und Unfälle verhindern. Diese Chips sollten offen, flexibel anpassbar und mathematisch nachgewiesen sicher sein. Angesichts globaler Wertschöpfungsketten mit zahlreichen Akteuren stellt die Versorgung mit derartigen kosteneffizienten Komponenten eine große Herausforderung dar. Quelloffene Designs, bei denen der sogenannte Source Code zur Überprüfung durch Dritte bekannt gemacht wird, bieten hier eine Alternative, solange ihre Sicherheit mit den Werkzeugen zum Schaltungsentwurf (EDA) gewährleistet werden kann. Daran arbeitet das Forschungsprojekt HEP.

Hier ein Auszug der Ergebnisse des Projektes:

• Erweiterung der SpinalHDL-Sprache um die halbautomatisierte Implementierung von Sicherheitseigenschaften zu ermöglichen.
• Formale Verifikation des VexRiscv-Prozessors
• Entwicklung eines quelloffenen Crypto-Beschleunigers
• Entwicklung offener Maskierung: wirkt dem Berechnen von Schlüsseln kryptografischer Berechnungen entgegen.

Der hergestellte Sicherheitschip funktioniert, aber für design-offene Sicherheitsprodukte fehlen zurzeit noch ein offener, nichtflüchtiger Speicher und ein offener, physikalischer Zufallszahlengenerator – die Projektpartner arbeiten an Lösungen für beides. Der Code für die Installation auf einem FPGA wurde öffentlich zur Verfügung gestellt. Der erprobte Ablauf zeigt, dass das Entwerfen von Microchips, unter Verwendung von offenen Tools, für jedermann – Studenten, KMUs und Großindustrie – zugänglich, preiswert umsetzbar und schnell verfügbar sein kann.

An dem vom Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik geleiteten Projekt sind zahlreiche weitere Forschungseinrichtungen und Partner aus der Industrie beteiligt.