硬件安全与后量子时代的芯片防护
在数字基础设施中，集成电路（芯片）无处不在，从智能手机、汽车到家用电器，它们构成了现代社会的基石。然而，与软件漏洞可以通过更新修复不同，硬件层面的操纵往往难以检测且后果严重。一旦芯片内部的硬线电路被篡改，可能导致命令被修改、安全机制被绕过，甚至使信任体系崩塌。
尽管目前尚无确凿证据证明芯片中存在故意内置的秘密后门，但历史案例令人警惕。例如，瑞士公司 Crypto AG 曾涉嫌与美国中央情报局合作出售被削弱的加密技术；爱德华·斯诺登披露的文件也显示，美国国家安全局曾通过“禁止”方法在运输途中秘密拦截电子设备以植入硬件。
制造依赖与信任危机
当前地缘政治动荡及欧洲对数字主权的讨论，使得硬件安全成为焦点。虽然欧洲在芯片设计领域具备优势，但其制造能力薄弱，高度依赖台湾、中国大陆、韩国以及少量美国制造的芯片。
波鸿鲁尔大学马克斯·普朗克安全与隐私研究所嵌入式安全小组负责人克里斯托夫·帕尔 (Christof Paar) 指出：“几乎我们周围的所有电路，以及整个数字无线基础设施，都依赖于上述地区制造的芯片。”这种依赖要求用户信任制造商不会在政府压力下安装隐藏的后门或“杀死开关”，从而允许第三方远程控制硬件。
帕尔及其团队正致力于识别计算机硬件的安全漏洞，并探索提高硬件生产可靠性的方法。一种基础手段是对新芯片进行严格测试，例如认证机构可通过特定输入检查基站或手机芯片是否处于异常状态，这可能是初步篡改的迹象。
物理分析与逻辑重建的挑战
要深入理解未知芯片的工作原理，需采取更为激进的措施：摧毁黑色保护层，暴露内部数以百万计的晶体管及连接它们的金属轨道。由于结构微小，必须使用扫描电子显微镜逐层拍摄图像，再拼接成完整的电路图。这一过程极其复杂且耗时，对于拥有数十亿晶体管的现代微处理器而言，完整物理分析在成本和时间内均不现实。相比之下，银行卡中的小型芯片已实现常规化的物理打开与分析。
即便获得图像，确定晶体管功能仍具挑战。制造商通常不提供附带功能说明的使用手册，且不同逻辑门在显微镜下外观相似，难以区分。为此，帕尔的研究方向之一是从设计源头入手，使芯片更易于分析和验证。如果晶体管构成的逻辑门（如 OR 门、AND 门）在设计上具有显著视觉差异，篡改者就必须更换或修改特定门电路，这种高难度的操作有助于通过聪明设计来防范篡改。
一旦芯片被打开并曝光物理电路，真正的漏洞寻找工作才开始。此时需要重建巨大的、无结构的网表（netlist）。为了解决网表缺乏功能标签的问题，帕尔团队开发了开源软件 HAL（Hardware Analyzer Library）。HAL 并非全自动漏洞扫描器，而是帮助分析师定位芯片中的相关区域，最终判断违规行为是无意漏洞还是故意嵌入的木马，仍需依靠人类专家。
检测硬件木马与 HAL 的应用
HAL 的主要用途之一是检测硬件木马——即故意集成在电子元件中、允许未经授权访问或监视机密数据的电路。Julian Speith 表示，大多数 HAL 用户来自安全相关领域的公司及政府研究实验室。截至目前，HAL 尚未发现实际存在的此类操纵，但这部分归因于缺乏典型的搜索模式。
为了测试软件性能，开发人员设计了一个虚拟芯片，并在其中故意添加了一条额外的信号线。在某些条件下，这条隐藏线路会通过芯片输出传输一个秘密加密密钥。Speith 解释称，若攻击者知晓激活条件，即可读取密钥。这是硬件特洛伊木马研究中的标准情景。然而，绝大多数潜在威胁隐藏在封闭的门后，完全自动化的检测仍有局限。
迈向后量子密码学时代
除了恶意篡改，未来的量子计算机对现有加密算法构成另一大威胁。许多嵌入芯片中的加密算法可能被量子计算机快速破解，进而危及端到端消息服务及在线金融交易的安全。
马克斯·普朗克安全与隐私研究所 Peter Schwabe 加密工程组的博士研究员 Pham 正在研究如何使加密芯片具备“抗量子”能力。这涉及从经典密码学向后量子密码学的迁移。美国国家标准与技术研究所 (NIST) 已设计和标准化了能够抵御未来量子计算机攻击的新算法，欧盟等机构设定了约 2030 年的迁移截止日期，Google、Amazon 和 Microsoft 等巨头也计划在类似时间框架内完成过渡。
Pham 指出，新的“量子安全”算法虽可在现有硬件上运行，但效率极低。因此，其团队的目标是在尽可能少改变当前安全芯片的前提下，适应未来需求。他们通过在现有芯片中添加新指令来实现这一点，确保电路在过渡期间同时支持经典和量子安全算法。
研究中使用了 OpenTitan 安全芯片，该芯片作为 Chromebook 等设备的基础，负责检查软件完整性、管理密码密钥及设备认证。OpenTitan 采用开源模式，允许大学、公司和独立专家审查和增强电路，这与传统封闭式开发形成对比。Pham 的改进已成为基于 OpenTitan 的新项目 Pavona 的一部分，旨在确保后量子加密的高效运行。
尽管量子计算机全面实用尚需时日，但“现在收获，后来解密”的攻击策略已现端倪，攻击者可能提前拦截并存储加密信息。因此，Pham 建议用户优先选择已为量子时代做好准备的应用程序，并推崇开源技术。正如密码学家帕尔所言：“透明度创造信任。”公开的设计不仅有助于全球专家检查安全性，也使建立秘密后门变得更加困难。
