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Software kann Prozessoren gezielt schädigen und altern lassen (Update)

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cpu logoAuch wenn Prozessoren bzw. Halbleiterbauelemente auf den ersten Blick keinerlei mechanischer Bauteile vorzuweisen haben, können sie dennoch altern. Maßgeblich dafür verantwortlich ist die Negative-bias Temperature Instability (NBTI). Die Alterung innerhalb der MosFET äußert sich in längeren Schaltzeiten, einer höheren Schwellspannungen und niedrigeren Drain-Strömen. Aber auch andere Effekte sorgen für eine gewisse Alterung von Halbleiterbauelemente. Mit den immer kleinere Fertigungstechnologien haben sich diese Effekte weiter verstärkt.

Der nicht neue, aber nun in den Fokus gerückte Angriff auf Prozessoren richtet sich gezielt auf die Negative-bias Temperature Instability. US-Forscher greifen mit der MAGIC getauften Software gezielt diese kritischen Pipeline-Stufen an. MAGIC steht dabei für Malicious Aging in Circuits/Cores. Dieser Angriff funktioniert dann besonders effektiv, wenn die Architektur des Prozessors bekannt ist. Daher wählten die US-Forscher auch den OpenSPARC-T1-Prozessor, da dessen Aufbau und Architektur per Open Source vollständig zugänglich ist. Durch den gezielten Angriff mittels MAGIC verlor der Prozessor in nur einem Monat 10,92 Prozent seiner Leistung.

Oracle UltraSPARC T2
Oracle UltraSPARC T2

Auch bei Intel hat man die Gefahr erkannt und so ist einer der US-Forscher, Arun K. Kanuparthim, bereits beim Prozessor-Hersteller als Sicherheitsexperte angestellt. Zuvor beschäftigte sich die Gruppe auch schon mit dem Thema Chip-Stabilität. Dabei will sich Intel nicht nur vor Angriffen von außen schützen, sondern sieht auch eine interne Gefahr durch Ex-Mitarbeiter, die über ausreichendes Wissen über den Aufbau der Prozessoren verfügen, um eine Software ähnliche wie MAGIC zu entwickeln oder bei der Entwicklung mitzuwirken. Wie genau hier aber Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, ist nicht bekannt.

Nun könnte aber auch der Kunde hellhörig werden und hinter einer solchen Software womöglich eine gewollte Obsoleszenz vermuten. Hersteller könnten über eine "neue" Firmware eine gezielte Attacke einfließen lassen und machen Prozessoren nach einer gewollten Zeit langsamer oder unbrauchbar. Auf der anderen Seiten könnten Kunden vor Ablauf der Garantie für eine gezielte Zerstörung sorgen. Womöglich ist auch das Militär an solchen Angriffen interessiert, denn die Kommunikation und Infrastruktur eines Feindes ist sicherlich zu einem großen Teil von funktionierender IT abhängig.

Aktuell arbeiten die Forscher an weiteren Angriffen, die auch neue Prozessoren betroffen sollen. Allerdings ist davon auszugehen, dass die Prozessor-Hersteller bereits Gegenmaßnahmen gegen solche Attacken ergriffen haben. Angriffe auf Prozessoren, die zehn Jahre und älter sind und deren Design zugänglich ist, bleiben also Machbarkeitsstudien.

Update:

Da einige Fragen zur Negative-bias Temperature Instability (NBTI) auftauchten, haben wir uns etwas mit dem Thema beschäftige und versuchen es etwas zu erläutern:

Maßgeblich für den Effekt verantwortlich sind Ladungsträger im Substrat, die von Oxidationseffekten eingefangen werden und für eine Verschiebung der Schwellspannung sorgen. Damit werden in der Stressphase die Charakteristiken des Bauteils verändert und die Lebensdauer reduziert. In der Relaxationsphase wird der Oxidationseffekt zwar wieder emittiert und die Schwellspannung geht wieder auf den vorherigen Wert zurück, die Emissionseffekte zwischen Stress- und Relaxationsphase sorgt aber für den sogenannten Charge Tapping.

Das Charge Trapping basiert auf einem Transfer der Ladungsträger zwischen dem Kanal und den Defekten. Derzeit befinden sich noch zahlreiche Modelle in der Evaluierung, die das Charge Trapping genauer beschreiben und vor allem erklären sollen. In einer ersten Theorie steht der Ladungstransfer auf elastischen Tunneln von Elektronen im Fokus. Dabei halten die Elektronen ihre Energie, auch wenn sie wieder auf ein niedrigeres Ladungsniveau absinken. Das Elastic Tunneling Modell besitzt aber auch ein gewisses Temperaturverhalten (Quantisierungseffekte im Kanal) und wird auch durch die immer geringer werdende Dicke der Oxidationsschicht auf nur noch wenige Nanometer in modernen Fertigungstechniken beeinflusst. Der Einfluss des Tunnelns vom und zum Gatekontakt spielt also eine immer größere Rolle und muss erneut untersucht werden, was zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht geschehen ist.

Ebenfalls eine Rolle spielt offenbar die Zerstörung von Atombindungen im Substrat durch den Ladungstransfer. Diese Änderungen der Atombindung haben eine Verschiebung des Traplevels zur Folge. In sogenannten First Principles Simulationen konnte dieser Effekt bereits nachgewiesen werden, allerdings ist der genaue Einfluss auf die NBTI noch unklar.

Als drittes denkbar ist die Non-radiative-Multiphonon-Theorie, die eigentlich die Lichtabsorption von Molekülen beschreibt. Das erweiterte Modell beschreibt erfolgreich die Verschiebung der Schwellspannung bei NBTI-Experimenten in Simulationen, kann aber gemäß der Time Dependent Defect Spektroscopy (TDDS) nicht korrekt die mikroskopischen Prozesse nachbilden, die bei den Prozessoren ersichtlich werden.

Zusammenfassung lässt sich sagen, dass sich die NBTI mit dem Charge Trapping erklären lässt, allerdings ist dieser Effekt bisher kaum genau untersucht und basiert noch auf Theorien, die allesamt schwer nachzuweisen sind.

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Kommentare (30)

#21
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Registriert seit: 04.10.2009
Eisscholle hinten links
Korvettenkapitän
Beiträge: 2296
Bei manchen hab ich eher das Gefühl, das ihre IPhones schlauer als sie selbst sind.
#22
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Registriert seit: 28.10.2006

Vizeadmiral
Beiträge: 6737
Und ihr reagiert dafür auf einen offensichtlichen Trollpost von dem :shot:
#23
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Registriert seit: 19.04.2008
PorscheTown
Flottillenadmiral
Beiträge: 5001
Zitat RoBBe07;23977255
Bei manchen hab ich eher das Gefühl, das ihre IPhones schlauer als sie selbst sind.

Herrlich! Hab tränen verdrücken müssen... vor lachen! :heul::banana:
#24
Registriert seit: 05.11.2007
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Fregattenkapitän
Beiträge: 2893
Zitat Phantomias88;23976651
@AssassinWarlord
Deine Erklärung geht zumindest in die richtige Richtung. ;)
ECC beinhaltet schon die Korrektur, es gibt auch Multi-Bit ECC da können mehrere "bit flip" Fehler Korrigiert werden, Standard ECC kann nur 1 Bit Fehler erkennen und korrigieren.
Das was du meinst, hängt mit dem Turbo zusammen.


Nein seine Erklärung geht nicht in die Richtige Richtung. Ja er hat einen paritycheck erklärt und das fälschlich sogar als ECC bezeichnet, ECC geht aber noch weiter und kann eben die Fehler in einem gewissen Maße, wie du ja auch schreibst, selbst korrigieren.

ABER wenn man sich mit dem Whitepaper, also der Quelle von der Quelle dieser News, befasst wird schnell klar, das es nicht um den Cache geht, sondern um die Pipeline. Mag sein, dass es eine Architektur gibt, bei der der Cache das schwächste Glied ist, um die geht es aber in dem Artikel nicht und der Cache dürfte sich eben wegen den ganzen Sicherheitsmechanismen weniger daran stören.

Wie gesagt aus dem Whitepaper eine Grafik, die das ganze wunderbar beschreibt
[ATTACH=CONFIG]339591[/ATTACH]

Den rest hab ich oben schon geschrieben, aber ja das stimmt natürlich nicht, denn es hat was mit dem Cache zu tun... :stupid::wall:

Zitat Phantomias88;23976651
Es wird so lange der Takt erhöht bis Rechenfehler entstehen und dann wieder eine Stufe zurück getaktet und die Berechnung die den Fehler hatte nochmal durchgeführt.


Das ist vollkommener Käse, der Takt ändert sich nicht und der Rechenfehler bleibt ein Rechenfehler, der entweder "nicht auffällt" bis hin zu "sich mit einem Bluescreen bemerkbar macht".
#25
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Registriert seit: 19.04.2008
PorscheTown
Flottillenadmiral
Beiträge: 5001
@unl34shed
Irgendjemand weiß es immer besser. ;)

Schnellere Prozessoren durch mehr Rechenfehler? - Nachrichten bei HT4U.net
Zitat
Wird ein Fehler erkannt, wird eine Leerung der Pipeline veranlasst sowie ein Absenken der Taktraten um anschließend den Befehl nochmals zu bearbeiten. Der Prozessor reagiert somit selbstständig auf seine Rechenergebnisse, weshalb Intel das Konzept auch als "self-tuning processor" bezeichnet.
#26
Registriert seit: 05.11.2007
Neckar-Odenwald Kreis
Fregattenkapitän
Beiträge: 2893
Schöne Theorie, wird aber wohl nicht eingesetzt. Skylake produziert zB. immer noch Fehler in Prime, wenn er zu hoch getaktet ist und das soll die Technik ja verhindern.
#27
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Registriert seit: 19.04.2008
PorscheTown
Flottillenadmiral
Beiträge: 5001
Zitat unl34shed;23978359
Schöne Theorie, wird aber wohl nicht eingesetzt. Skylake produziert zB. immer noch Fehler in Prime, wenn er zu hoch getaktet ist und das soll die Technik ja verhindern.

Ob es genutzt wird oder nicht kann ich dir leider auch nicht beantworten.
Allerdings ist die Erkenntnis, dass Prime Fehler macht kein Indiz das es nicht genutzt wird.
Die Fehlerkorrektur ist eben auch begrenzt*, wenn es zu viele Fehler sind steigt das System nach wie vor aus. :)

*
Zitat
Bei maximal 1,4 Millionen Fehlern pro Sekunde konnte man dabei die Bilder sehr schnell nicht mehr erkennen, wenn die Fehlererkennung ausgeschaltet war. War diese jedoch aktiv, so fing der Palisades-Prozessor die Fehler ab und die finale Bilddarstellung glich jener guter Bildverarbeitungsprogrammen.
#28
Registriert seit: 21.09.2013
Lünen
Oberleutnant zur See
Beiträge: 1523
Zitat
Schöne Theorie, wird aber wohl nicht eingesetzt. Skylake produziert zB. immer noch Fehler in Prime, wenn er zu hoch getaktet ist und das soll die Technik ja verhindern.

Ich denke mal du redest hier von Fehlern bei Betrieb außerhalb der Spezifikationen?

Also ich betreibe demnächst den 6700k mit 10 GHz, die Fehler rechnet mir der Controller schon wieder raus. :banana:
#29
Registriert seit: 05.11.2007
Neckar-Odenwald Kreis
Fregattenkapitän
Beiträge: 2893
Zitat Tr4c3rt;23983401
Ich denke mal du redest hier von Fehlern bei Betrieb außerhalb der Spezifikationen?

Also ich betreibe demnächst den 6700k mit 10 GHz, die Fehler rechnet mir der Controller schon wieder raus. :banana:


Ja wie komm ich nur darauf über so etwas zu reden, zum Glück geht es hier ja nicht darum, sondern um ECC im Cache und wunder Pipelines, die Fehler automatisch korrigieren...

Ich hab keine Ahnung von was ich rede und das steht auch nicht in dem WHITEPAPER von den Wissenschaftlern, auf dem diese News beruht. :stupid:


PS: der Beitrag enthält leichte Spuren von Sarkasmus!
#30
Registriert seit: 21.09.2013
Lünen
Oberleutnant zur See
Beiträge: 1523
Sorry den Beitrag nicht komplett zu lesen, verzerrt manchmal den Sinn etwas ;-)
War schon spät..:xmas:
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