Efuse介绍及安全启动浅析

1、Efuse是什么
2、OTP是什么
3、什么是Secure Boot
4、CPU内部安全机制
- 4.1 bootROM
- 4.2 iRAM
- 4.3 eFUSE
- 4.4 Security Engine
- 4.5 First Stage Bootloader（FSBL）
- 4.6 根信任建立

1、Efuse是什么

eFuse(electronic fuse)：电子保险丝，熔丝性的一种器件，属于一次性可编程存储器。

之所以成为eFuse，因为其原理像电子保险丝一样，CPU出厂后，这片eFuse空间内所有比特全为1，如果向一位比特写入0，那么就彻底烧死这个比特了，再也无法改变它的值，也就是再也回不去1了。

一般OEM从CPU厂商购买芯片后，一般都要烧写eFuse，用于标识自己公司的版本信息，运行模式等相关信息。
同时，由于其一次性编程的特性，我们又将其用在Secure Boot安全启动中。

2、OTP是什么

了解完eFuse后，我们就顺便了解一下OTP

OTP(One Time Programmable)是反熔丝的一种器件，就是说，当OTP存储单元未击穿时，它的逻辑状态为0；当击穿时，它的逻辑状态为1，也属于一次性可编程存储器。

它的物理状态和逻辑状态正好和eFuse相反。

两者区别如下：

从成本上讲，eFuse器件基本上是各个Foundry厂自己提供，因此通常意味着免费或者很少的费用，而OTP器件则通常是第三方IP厂家提供，这就要收费。
从器件面积上讲，eFuse的cell的面积更大，所以仅仅有小容量的器件可以考虑。当然如果需要大容量的，也可以多个eFuse Macro拼接，但是这意味着芯片面积的增加，成本也会增加；OTP的cell面积很小，所有相对来讲，可以提供更大容量的Macro可供使用。
OTP 比 eFuse 安全性更好，eFuse的编程位可以通过电子显微镜看到，因此其存储的内容可以被轻易破解，但OTP在显微镜下无法区分编程位和未编程位，因此无法读取数据。
eFuse默认导通，存储的是"1"，而OTP默认是断开，存储的是"0"，因此OTP的功耗也较eFuse小，面积也较eFuse小。

3、什么是Secure Boot

上面我们也了解过了，efuse主要用于记录一些OEM的产品信息，并且也会用于安全启动，那么安全启动是什么，为什么要做安全启动？

安全启动Secure Boot，其主要目的是：以限制消费者能力，防止消费者从软硬件层面，对产品的部分关键系统进行读写，调试等高级权限，达到对产品的商业保密，知识产权的保护。

安全启动的安全模型是建立在消费者是攻击者的假设之上，一般常见的操作有：

刷机安装自定义的操作系统
绕过厂家封闭的支付平台
绕过系统保护，复制厂家保护的数字产品。

除此之外呢，有的比较专业的消费者，还可以：

使用数字示波器监听 CPU 和 RAM 、eMMC 之间的数据传输来读取非常底层的数据传输。
而且像 eMMC 这种芯片通常都是业界标准化的，攻击者甚至可以把芯片拆下来，然后用市面上现成的通用 eMMC 编程工具来读写上面的内容。

安全启动等级也有一个上限：这个上限通常是认为攻击者不至于能够剥离芯片的封装，然后用电子显微镜等纳米级别精度的显像设备来逆向芯片的内部结构。

简单来说：能成功攻破芯片安全机制的一次性投资成本至少需要在十万美元以上才可以认为是安全的。

4、CPU内部安全机制

4.1 bootROM

BootROM是集成在CPU芯片的一个ROM空间，其主要用于存放一小段可执行程序，出厂的时候被烧录进去写死，不可修改。

CPU在通电之后，执行的第一条程序就在BootROM，用于初始化Secure Boot安全机制，加载Secure Boot Key密钥，从存储介质中加载并验证 First Stage Bootloader（FSBL）；最后跳转进 FSBL 中。

4.2 iRAM

为了避免使用外部的RAM，支持Secure Boot的CPU都会内置一块很小的RAM，通常只有 16KB 到 64KB ，我们称之为 iRAM。

这块iRAM上的空间非常宝贵，bootROM 一般会用 4KB 的 iRAM 作为它的堆栈。FSBL 也会被直接加载到 iRAM 上执行。

4.3 eFUSE

如上面所述，在Secure Boot中存放的是根密钥，用于安全启动的验证。

一般有两种根密钥：一个是加密解密用的对称密钥 Secure Boot Key，一般是 AES 128 的，每台设备都是随机生成不一样的；

另一个是一个 Secure Boot Signing Key 公钥，一般用的 RSA 或 ECC，这个是每个 OEM 自己生成的，每台设备用的都一样，有些芯片会存公钥的 Hash 来减少 eFUSE 的空间使用。

4.4 Security Engine

有些 CPU 中还会有一个专门负责加密解密的模块，我们称为 Security Engine。这个模块通常会有若干个密钥槽（Keyslots），可以通过寄存器将密钥加载到任意一个 Keyslot 当中，通过寄存器操作 DMA 读写，可以使用 Keyslot 中的密钥对数据进行加密、解密、签名、HMAC、随机数生成等操作.

4.5 First Stage Bootloader（FSBL）

FSBL 的作用是初始化 PCB 板上的其他硬件设备，给外部 RAM 映射内存空间，从外部存储介质中加载验证并执行接下来的启动程序。

4.6 根信任建立

CPU上电后执行Boot ROM的程序，其这一小段程序用于初始化RAM，并加载Efuse上的内容，判断其所处的运行模式是不是生产模式。

如果在生产模式，开启Secure Boot功能，把Efuse上保存的Secure Boot Key加载到Security Engine加密模块中处理。

从外部存储介质中加载FSBL，FSBL里面会有一个数字签名和公钥证书，bootROM 会验证这个签名的合法性，以及根证书的 Hash 是否和 eFUSE 中的 Signing Key 的 Hash 相同。

如果验证通过，说明 FSBL 的的确确是 OEM 正式发布的，没有受到过篡改。

然后bootROM 就会跳转到 FSBL 执行接下来的启动程序。