[论文解读] Side Channel Attacks on STTRAM and Low-Overhead Countermeasures

Nitin Rathi, Helia Naeimi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Semiconductor materials and devices被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对自旋转移矩随机存取存储器（STTRAM）的侧信道攻击，该攻击利用写操作期间电源电流的波动来推断敏感数据，其原理基于写延迟和电流对数据极性的依赖性。文章提出了一系列低开销的防护措施——短保持STTRAM、1位奇偶校验、多位随机写入以及恒定电流写入驱动器，可将可区分的电流特征减少高达30%，显著阻碍攻击者恢复完整数据字。

ABSTRACT

Spin Transfer Torque RAM (STTRAM) is a promising candidate for Last Level Cache (LLC) due to high endurance, high density and low leakage. One of the major disadvantages of STTRAM is high write latency and write current. Additionally, the latency and current depends on the polarity of the data being written. These features introduce major security vulnerabilities and expose the cache memory to side channel attacks. In this paper we propose a novel side channel attack model where the adversary can monitor the supply current of the memory array to partially identify the sensitive cache data that is being read or written. We propose several low cost solutions such as short retention STTRAM, 1-bit parity, multi-bit random write and constant current write driver to mitigate the attack. 1-bit parity reduces the number of distinct write current states by 30% for 32-bit word and the current signature is further obfuscated by multi-bit random writes. The constant current write makes it more challenging for the attacker to extract the entire word using a single supply current signature.

研究动机与目标

• 识别并利用STTRAM中由于数据相关写电流和延迟而产生的侧信道漏洞。
• 分析写操作期间电源电流波动如何泄露敏感缓存数据。
• 设计低成本、硬件高效的防护措施，以最小化侧信道泄露，同时不牺牲性能或面积。

提出的方法

• 提出一种侧信道模型，攻击者通过监控电源电流来推断写入STTRAM的数据。
• 引入短保持STTRAM以缩短电流特征分析的时间窗口。
• 采用1位奇偶校验，使32位字的数据写入电流状态种类减少30%。
• 应用多位随机写入以混淆实际写入的数据，提高电流波形的熵值。
• 设计恒定电流写入驱动器以掩盖数据相关的电流波动。
• 结合多种防护措施，最小化可区分的电流特征，防止完整数据恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 STTRAM中的电源电流波动是否可被利用，在写操作期间提取敏感数据？
• RQ2 数据极性如何影响STTRAM中的写电流和延迟？该特性是否可用于侧信道攻击？
• RQ3 1位奇偶校验在多大程度上可减少STTRAM写入过程中可区分的电流状态数量？
• RQ4 多位随机写入和恒定电流驱动器在掩盖侧信道泄露方面的有效性如何？
• RQ5 是否可设计出低开销的防护措施，而不会显著影响面积、功耗或性能？

主要发现

• 1位奇偶校验方案使32位字的可区分写入电流状态减少30%，降低了攻击面。
• 多位随机写入能有效混淆实际写入的数据，增加电流波形分析的难度。
• 恒定电流写入驱动器显著增加了攻击者从单一电流特征中提取完整数据字的难度。
• 短保持STTRAM与随机写入的结合，同时缩短了可观测侧信道信号的时间窗口并提高了熵值。
• 所提出的防护措施成本低，无需重大架构改动，适用于实际部署。