芯片/PCB 硬件逆向

何时使用 / 何时不用

• 用：物理芯片/板级分析（固件提取失败后的物理层）、芯片解密、硬件木马检测
• 不用：固件级分析（转 [[re-fw-extract]]）；接口提取（转 [[re-hardware-io]]）；无线信号（转 [[re-sdr]]）

工具准备

显微镜/探针台（观察与接触）

• 选购指引：体视显微镜（初检）→ 金相显微镜（裸片）；探针台按预算分级
• 验证: 无软件验证——以成像清晰度验收

decapping 设备与耗材（去封装）

• 化学 decap：发烟硝酸/硫酸 + 加热台（防护：通风橱/护目镜）；激光 decap：专用激光器（高成本，外包可选）
• 验证: 无软件验证——以裸露程度验收

逻辑分析仪（信号提取）

• 多平台: Saleae 类（配套软件各平台可用）或开源方案（sigrok/PulseView：apt install sigrok-cli pulseview / brew install sigrok-cli pulseview（sigrok 无 PyPI 包））
• 验证: pulseview --version

热成像（功耗/时序异常，可选）

• 选购指引：按分辨率与测温范围选型；验证: 成像验收

操作步骤

按顺序执行；全程注意防护与破坏性风险（步骤 1 不可逆）。

1. 去封装（decapping）：

   • 化学法：加热台预加热 → 滴加发烟硝酸溶解环氧 → 清洗（丙酮）→ 显微镜检查
   • 激光法：激光逐层烧蚀（精度高，成本高）
   • 风险控制：通风橱、防酸手套/护目镜、废弃液处理；先练习废片
   • 验收：金属层可见、无过度腐蚀（伤及晶圆）

2. 裸片分析：

   • 显微成像（金相显微镜/电子显微镜）→ 金属层走线观察
   • ROM/熔丝提取：成像 → 位图还原（金属层/多晶硅层图案 → 二进制）
   • 产出：ROM 位图 → 数据（与 [[re-fw-extract]] 固件对照）

3. 探针与信号提取：

   • 探针台接触测试点（总线/时钟/数据线）
   • FIB（聚焦离子束）：修改互连/暴露内部节点（高成本，外包）
   • 信号嗅探：逻辑分析仪挂总线（时序对照数据手册）
   • 注意：探针负载可能改变信号（见坑 2）

4. PCB 电路分析：

   • 走线还原（万用表导通/成像 → 网络表）
   • IC 标识识别（丝印 → 型号 → 数据手册 → 引脚功能）
   • JTAG/SWD 引脚定位（测试点/走线特征 → 调试接口枚举）

5. 硬件木马检测：

   • 冗余逻辑特征（无功能路径的触发器/计数器）
   • 功耗/时序异常（热成像 + 电流曲线对照基线）
   • 触发条件分析（特定输入组合/温度/时间条件）

侧信道与故障注入

功耗侧信道（SPA/DPA）

• SPA（简单功耗分析）：单条或少数功耗曲线直接观察密钥相关操作（乘方运算位数、条件分支的电流差异），适合算法结构已知的场景
• DPA（差分功耗分析）：
  • 采集原理：同一密钥下多次加解密，逐条记录功耗曲线
  • 差分思路：按猜测密钥位分组（如按某轮 S-box 输出某一位为 0/1 分组），组内平均后相减；某猜测下出现显著尖峰，说明该中间值与功耗存在相关性
  • 相关分析：对中间值比特与曲线逐点做相关性计算（CPA 思路），尖峰位置对应操作发生时刻，可反向验证猜测
• 采集设备（chipwhisperer 类）选购要点：
  • 采样率：不低于目标时钟的数倍（超出奈奎斯特需求），高速时钟下需 GHz 级采样
  • 触发同步：支持外部触发信号（以加解密开始时刻对齐），曲线逐条对齐是差分分析的前提
  • 信噪比：高阻差分探头、短地线、屏蔽可降低噪声；噪声大时靠增加采集条数平均补偿
  • 验证: 无软件验证——以已知密钥采集曲线，确认差分尖峰出现

故障注入（时钟毛刺/电压毛刺）

• 原理：时钟毛刺在目标指令执行时刻插入过窄的时钟周期，使取指/译码/执行失败，产生跳过分支、破坏中间值等效果；电压毛刺以瞬时欠压实现类似效果
• 参数扫描流程：
  1. 粗扫：宽度与相位（注入时刻）按大步长铺开，记录有反应的参数点
  2. 细分：对命中区域缩小步长，定位稳定窗口
  3. 复测：同一参数多次注入，确认效果可重放
• 结果判定：跳过分支（授权校验直接通过）、改返回值（校验函数返回被破坏）、无效果或崩溃（参数越界，回退重扫）
• 与去封装衔接：裸片探针可接触时钟/总线节点，毛刺注入点与功耗观测点重合，侧信道曲线可与探针波形互证；去封装后注入点选择更多（见上文步骤 1/3）

安全边界

• 与技能库整体边界一致：仅限授权范围内的自有设备/实验室样品，不涉及具体攻击目标
• 本节为方法学描述，不提供针对特定对象的操作指引

常见坑与陷阱

• 波形不同步导致 DPA 无相关性：现象——差分曲线无尖峰、相关值接近零；原因——各条曲线起点未对齐（触发没对准，软件触发延迟抖动）；对策——改用硬件触发信号，或事后按固定特征点重对齐
• 毛刺参数扫不到窗口：现象——全参数范围扫描无任何效果；原因——宽度/相位扫描步长大于命中窗口；对策——先粗扫定位区间再细分步长，必要时增大重复次数
• 故障注入后设备锁死：现象——注入后设备无响应或进入异常状态；原因——毛刺破坏运行状态或误写存储；对策——实验前备份固件并准备重刷恢复流程，批量注入时按批重启
• 采集设备带宽不足：现象——高速时钟下曲线失真（边沿变缓、高频细节丢失）；原因——采集带宽低于信号频谱需求；对策——按目标时钟选择带宽足够的设备，或降低时钟运行

跨域联合

• [[re-hardware-io]]：接口提取衔接（JTAG/UART 是软件侧入口）
• [[re-fw-extract]]：固件侧对照（ROM 提取物与固件 dump 比对）
• [[re-sdr]]：无线侧（RF 接口）
• [[re-triage]]：提取物初勘

常见坑与陷阱

• decap 不可逆：现象——封装破坏后无法恢复；原因——物理破坏；对策——先存档固件（[[re-fw-extract]]）再做物理操作
• 探针负载改变信号：现象——挂探针后时序异常；原因——容性负载；对策——高阻探针、记录挂载前后基线
• FIB 高成本易毁：现象——FIB 修改失败晶圆报废；原因——离子束损伤；对策——先成像规划、外包给专业服务
• 木马误报：现象——正常冗余逻辑被当木马；原因——厂商设计含测试/修复逻辑；对策——对照数据手册与已知电路模式，低置信度不发布
• 安全防护缺失：现象——化学 decap 事故；原因——未用通风橱/防护；对策——步骤 1 风险控制强制前置