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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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