（本文編譯自Semiconductor Engineering）
向多芯片組件的轉型以及邊緣端傳感器數據價值的提升，正開始讓人們將注意力聚焦于模擬電路的安全性，并引發相關質疑。
在當今大多數SoC設計中，安全性幾乎完全是數字領域應考慮的問題。數字電路的安全需求已廣為人知，尤其是在大型數據中心和邊緣計算的高端領域，這些領域以數字計算為主導。這在很大程度上是由于片上空間有限，因為模擬電路難以擴展。即使是混合信號IP也已逐漸數字化，以便能集成到更小的空間中。但隨著行業從平面SoC轉向多維異構系統級封裝（SiP，包括2.5D、3D和3.5D），這些面積限制已經放寬。
這并沒有讓模擬電路的集成變得更容易，但工藝節點和尺寸已不再是最緊迫的問題。模擬芯片可以在任何合理的節點上開發，并且仍能集成到封裝中，而封裝的尺寸可以適當調整以容納更大的芯片。這反過來也有助于提高模擬元件的復用率。
此外，模擬芯片還有其他優勢。由于部分電路可以更獨立地運行——SiP可以是異構的，并且可以全局異步——它們應該能夠比現在更容易地插入多芯片組件中。此外，額外的面積可以幫助減輕對平滑模擬波的干擾，而這對于隔離嘈雜、密集排列的數字晶體管來說是一個挑戰。
但這也使模擬電路面臨大多數芯片制造商未曾考慮到的潛在網絡攻擊風險。這些攻擊可能發生在多個層面，首先是用于傳輸和轉換日益增多的模擬數據到數字數據的物理層。
雖然多芯片組件并非新技術，但其復雜性和功能正日益增強。這在很大程度上是由于對更高計算能力的需求，尤其是在人工智能領域，以及晶體管的規模不足以提供實現這一目標所需的密度。到目前為止，這些多芯片組件中使用的幾乎所有芯粒都是內部開發的，但預計未來五年將有更多第三方芯粒進入市場，從而推動多芯片組件成為主流。
新思科技高級副總裁兼IP事業部負責人John Koeter表示：“在開放的Chiplet市場中，人們擔心的問題之一是，如果惡意行為者制造出假冒芯片，可能會使整個功能面臨風險。因此，我們認為，針對側信道攻擊構建安全性絕對是推動小芯片時代真正落地的基礎。目前，最常見的分區是一個計算芯片，即混合了數字和模擬元件的I/O芯片，周圍環繞著大量內存。是否可以將更多純模擬芯片集成到其中？或許可以，比如無線Chiplet，但由于這些小芯片的應用細分市場限制，我們尚未看到這種情況。先進封裝成本高昂，而那些需要射頻(RF)功能的應用，采用多芯片模塊可能比2.5D或3D IC封裝更具成本效益。隨著時間推移，當我們在不同成本節點上看到更先進的封裝技術時，將會見證越來越多的異構集成，而不僅僅是傳統的內存、I/O和計算。”
邊緣端的模擬安全
AI/ML的普及遠遠超出了數據中心的片上系統（SoC）和封裝系統（SiP）范疇。邊緣計算的構建在很大程度上是由傳感器驅動的，而由于物理世界是模擬的，因此在邊緣收集的模擬數據越來越有價值，其安全性也亟需保障。
英飛凌（Infineon）產品安全高級總監埃里克?伍德（Erik Wood）表示：“首先必須讓傳感器更智能，因為它現在需要能夠執行加密操作。這涉及‘使用時間’或‘使用時的時間校驗’概念。本質上，你需要在讀取數據時檢查數據來源的真實性。這不僅適用于傳感器，也適用于機器學習模型。這些模型主要存儲在外部閃存中，并且采用原地執行架構運行。每次啟動系統時，需在全系統范圍內驗證代碼的真實性。而在運行時，每當需要使用機器學習模型執行操作并進行原地執行（XIP）時，還需同時進行身份驗證和解密。你需要在使用過程中校驗所有內容，以提升整個系統的可信度。”
動態模擬數據與動態數字數據存在許多相同的安全問題。“安全基本上包含兩方面，”Wood表示，“首先是加密及相關操作。其次是注入故障，通過注入故障干擾設備以提取信息，或跳過引導鏈中的某個步驟，例如，在安全引導過程中，驗證下一個鏡像時，若注入故障可破壞驗證命令，進而加載未經認證的代碼并控制設備。傳感器是安全防護的重要組成部分。我們有電壓傳感器、溫度傳感器、電磁故障注入傳感器和光傳感器等模擬電路負責感知，它們的性能會隨著時間的推移而下降，這會導致偏置變化、噪聲增加、熱載流子效應等問題，其精度會逐漸下降或衰減，而觸發故障注入響應的正是這些傳感器的閾值。”
在某些情況下，這些傳感器會自動重新校準。這通常會與一定程度的冗余相結合，具體取決于用例和相關風險。但冗余會增加成本并影響性能。
過去，邊緣端的模擬安全主要通過減少模擬內容量，轉而依賴成熟的數字安全方法來管理。由于數字晶體管不易受熱影響，因此對溫度波動的響應時間問題也較少。
弗勞恩霍夫 IIS 自適應系統工程部門高級混合信號自動化小組經理Benjamin Prautsch表示：“攻擊者可能會從模擬層面發起攻擊，比如對系統進行加熱。這取決于芯片的可接觸程度以及攻擊的具體目標。攻擊者也可能試圖識別電路本身，比如使用激光來改變模擬行為。”
如今，大部分此類問題仍在數字領域處理。但一些相同的技術應該適用于純模擬內容。
不同領域
數字和模擬仍然是截然不同的領域。數字設計工程師高度依賴EDA工具，而模擬工程師則很少使用。事實上，EDA公司在進軍模擬市場方面取得的最大成功，是那些高度偏向數字端（大D，小A）的混合信號設計。
“EDA公司一直在努力讓數字技術更貼近軟件，”馬里蘭大學附屬情報與安全應用研究實驗室的研究員Warren Savage表示，“但在模擬技術一直未能大規模普及，因為模擬設計需要深入理解物理原理，而這在電子領域是一項相當專業的技能。”
本質上是使用模擬方法來實現安全性。但總體趨勢是，多芯片組件帶來的安全挑戰并非僅需單一或分層的安全方案，而是新增了一個全新維度。這意味著模擬電路需要與數字電路一樣的安全性，且相關研究需在模擬芯粒普及前取得進展。
新思科技的Koeter表示：“需要某種硬件安全模塊，能夠唯一標識所有芯片，無論它們是模擬芯片還是數字芯片，并賦予其唯一的標識符，從而實現身份驗證和信任建立。這很可能就是我們未來會看到的發展方向。”
其他專家也提出了類似觀點。Cadence杰出工程師Moshiko Emmer表示：“我認為我們并非在‘增加更多模擬設計’，而是將大量芯片內處理的概念遷移到芯片間處理，這有時涉及模擬輸入/輸出、電源等組件。當我們考慮芯粒和安全集成時，每個芯粒不僅被視為子系統，也被視為獨立芯片。從這個意義上講，它必須是完全安全的。需要確保芯粒在其邊界內的安全性，包括硬件和軟件方面。此外，還需從系統層面考慮如何管理由安全芯粒組成的系統，它們可以位于不同的安全島。因此，在我們的架構中，正研究如何構建這樣的系統，其中一個芯粒作為系統管理器。即由中央系統芯粒管理整個系統的安全性，并且可以控制其他芯粒。”
安全關鍵系統
這一點在安全關鍵系統中尤為重要。過去十年，汽車和軍用/航空市場一直在推動芯粒和傳感器融合的理念。如今，芯粒已被證明可行，至少部分焦點已轉移到它們在任何時間點的工作性能上。對于模擬芯粒而言，這類監控在很大程度上相當于讓電路始終保持“警惕”。（見下圖）
圖1：長距離SerDes PHY中的多眼圖。
（圖源：Rambus）
Rambus硅安全產品高級總監Scott Best表示：“通過老化計數器可以感知芯片‘年齡漸長’，由于已知在過去5到10年的運行中偏移量不斷累積，因此需要降低時鐘性能——或許需要調低性能。溫度傳感器能感知系統輸入電壓的設定是否合理：電壓是否過低或過高？是否存在異常波動？在某些安全芯片中，光傳感器可檢測芯片是否被倒置或開封置于實驗室顯微鏡下——因為只有這種情況下，光線才會以特定角度照射到襯底。因此，許多模擬電路通過模擬傳感器技術實現防護。但這引出了一個問題：‘誰來監督監督者？’如何保護用于防護核心電路的傳感器電路本身？”
結語
模擬和數字是截然不同的工程領域。即使在混合信號IP中融合兩者，其驅動力仍主要來自數字技術。但以下趨勢正迫使芯片制造商高度重視模擬安全：
能夠在任何合理的工藝節點上開發芯粒，一直是多芯片組件的核心目標之一，因為這能通過復用經硅驗證的設計縮短上市時間并降低成本。這對模擬元件尤其有用，但其對安全性的影響在很大程度上仍是未知領域。
傳感器收集的模擬數據價值正在不斷增長，尤其在汽車、國防和航空航天應用領域。這些傳感器可以檢測運動、光線、熱量和振動，而諸如熱模糊測試之類的物理攻擊可能會扭曲數據，進而對汽車或戰斗機的響應造成嚴重后果。
將SoC分解成芯粒后會產生更復雜的交互并暴露更多互連節點。黑客總是會尋找最薄弱的切入點，而目前幾乎缺乏針對PHY、SerDes或傳感器等模擬組件的攻擊案例及防護經驗。
END
