基于FRAM的MCU为低功耗应用提高安全性

安全性在包括智能手机配件、智能仪表、个人健康监控、遥控以及存取系统等各种应用中正在变得日益重要。要保护收益及客户隐私，OEM 厂商必须采用安全技术加强系统的防黑客攻击能力。对于大量这些应用而言，将要部署数百万的器件，工程师面临的挑战是在不严重影响系统成本或可靠性的同时， 确保最佳安全平衡。主要注意事项包括保护敏感数据的传输，防止 MCU 应用代码及安全数据被读取，防止 MCU 遭到物理攻击，最大限度提高电源效率，以及支持安全升级，确保设备能够应对未来安全威胁等。

安全设备必须能够像银行保险库一样有效地安全存储敏感信息。这类信息包括交换的实际数据（比如客户的信用卡号或者何时用了多少电的记录等）以及任何确保通信通道安全的加密数据（如安全密钥及密码等）等。

最新低功耗微处理器 (MCU) 集成降低安全应用成本与功耗所需的高性能以及各种特性，可帮助开发人员为低功耗应用提高安全性。此外，它们还采用非易失性 FRAM 替代 EEPROM 或闪存提供稳健统一的存储器架构，从而可简化安全系统设计。

FRAM 的优势
与基于闪存的传统系统相比，FRAM 可提供优异的保留性与耐用性。采用闪存，数据按晶体管充电状态存储（如开或关）。写入闪存时，必须先擦除相应的块然后再写入。这个过程可对闪存造成物理损坏，最终导致晶体管无法可靠保持电荷。

确保闪存的最长使用寿命，通常部署损耗平衡等技术在各个块上平摊使用量，以避免某些常用块过早损坏。进而需要评估闪存系统可靠性，是因为闪存的耐用 性规范反映的是平均故障率，每个具体块的耐用性有高有低。此外，保留的可靠性会随耐用性极限的接近而下降，因为保留是根据每个存储器元素的磨损进行统计的。

图1：FRAM PZT 分子的模型

相比之下，FRAM 将数据按分子极化状态存储。由于该过程为非破坏性，因此 FRAM 具有几乎无限期的保留性与耐用性。对必须在整个设备使用寿命期间执行 20,000 至 40,000 次交易的移动支付系统等应用而言，FRAM 无需考虑耐用性与可靠性问题。

此外，FRAM 的高耐用性也关系到某些应用的安全性。例如，要提高通信安全性，每次新传输都需要生成新密钥。这种方法必须考虑闪存和 EEPROM 的耐用性问题。使用 FRAM 就无需考虑密钥改变频次对存储器耐用性产生影响的问题。

校准

除了防止应用数据和加密密钥遭到非授权读写之外，系统还必须防止参数被恶意篡改，导致敏感信息被访问，甚至发生物理 MCU 本身受到侵害攻击的情况。MCU 容易受到各种攻击的侵害，导致存储器中存储的数据、应用代码或安全密钥被提取。

在许多情况下，MCU 攻击的目的都是为了改变器件上存储的数据。例如，自动计量仪表上的使用数据可能被修改，显示实际使用数额偏低，导致每月账单降低。一般说来，黑客不是去修 改收集到的数据，而是要改变应用代码本身。要达到这一目标，它们必须首先获得应用代码画面，进行逆向工程，然后在系统中使用修改后的版本进行成功覆盖。

图 2：TI MSP430FR59xx MCU 建立在超低功耗"Wolverine"技术平台基础之上，采用非易失性 FRAM 替代 EEPROM 或闪存提供高稳健统一存储器架构，可简化安全系统设计

目前已经出现了大量强制系统暴露保密信息甚至其应用代码的方法。例如，故障攻击可引发故障操作，让系统进入不可预测的状态，从而使其输出安全密钥或 应用代码块。此外，黑客还可对系统进行物理攻击，分离 MCU 或采用光学手段引发故障。需要注意的是，不是所有以下攻击情境都适用于所有应用，具体可能发生哪种攻击取决于风险数据的应用及价值。

• 机械探查：虽然对 EEPROM 进行机械探查比较困难，但仍可通过 IC 后端、采用既不破坏浮动栅，又不破坏比特单元数据的方法做到。相比之下，FRAM 的极化状态只有在电路完整时才能检测到。

• 电源分析：频谱电源分析 (SPA) 和动态电源分析 (DPA) 是测量 MCU 电磁辐射或电源使用的专业技术，其可创建用来确定 MCU 内部所做工作的配置文件。EEPROM 与闪存需要工作电压为 10 至 14V 的电荷泵，使其比较容易检测到。FRAM 极其快速的读写速度（分别为 50 ns 和 200 ns 以下）以及较低的工作电压 (1.5 V) 使其被成功安装基于 SPA 或 DPA 的攻击极为困难。

• 显微镜检查：实践证明，使用 Atomic Force Microscopy (AFM) 或 Scanning Kelvin Probe Microscopy (SKPM) 可在后端剥层后检测到 EEPRO 中的浮动栅电荷水平，因此可记录存储在存储器位置上或在数据线路上传输的数据。

• 电压篡改：这类攻击多年来一直针对 EE