Bảo mật chip bán dẫn

Ngày nay, công nghệ chip bán dẫn đóng vai trò cốt lõi trong sự phát triển công nghệ hiện đại và xuất hiện trong hầu hết các thiết bị điện tử, từ máy tính, điện thoại thông minh đến các thiết bị ô tô, mạng lưới IoT và các hệ thống tự động hóa. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ này cũng đặt ra những thách thức lớn về rủi ro an ninh mạng. Vì thế, trước các mối đe dọa ngày càng tinh vi, việc bảo vệ các chip bán dẫn trở nên cấp bách và quan trọng hơn bao giờ hết.

THÁCH THỨC VÀ RỦI RO BẢO MẬT CHIP BÁN DẪN

Một trong những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến chip bán dẫn là sự tấn công từ chuỗi cung ứng, một hệ sinh thái phức tạp gồm nhiều nhà thiết kế, nhà sản xuất, đơn vị đóng gói, kiểm định và phân phối linh kiện. Quá trình này có thể trải dài qua nhiều quốc gia và tổ chức, khiến việc kiểm soát an ninh trở nên khó khăn, tạo ra các điểm yếu mà tin tặc hoặc các tác nhân thù địch có thể khai thác.

An ninh quốc gia và địa chính trị

Ngành công nghiệp chip bán dẫn gắn bó chặt chẽ với địa chính trị toàn cầu. Rủi ro sở hữu, kiểm soát hoặc ảnh hưởng của nước ngoài (FOCI) là một yếu tố quan trọng, vì nó liên quan đến việc đánh giá mức độ mà các lợi ích có thể kiểm soát hoặc tác động đến một công ty và chuỗi cung ứng của công ty đó. Điều này đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực bán dẫn, nơi mà các mối lo ngại về sở hữu trí tuệ và an ninh quốc gia có thể dẫn đến các hạn chế đối với đầu tư và quan hệ đối tác nước ngoài. Ví dụ, các quốc gia có thể áp đặt các quy định để ngăn chặn các thực thể nước ngoài giành quyền kiểm soát các công nghệ bán dẫn quan trọng, điều này có thể làm gián đoạn chuỗi cung ứng và hạn chế khả năng tiếp cận các linh kiện thiết yếu.

Tấn công mạng và cài cắm mã độc trong quá trình sản xuất

Các nhóm tấn công do nhà nước hậu thuẫn có xu hướng nhắm đến lĩnh vực bán dẫn để thu thập trình tự thiết kế, quy trình sản xuất. Các vụ tấn công, đặc biệt vào các nhà cung cấp phụ (sub-tier suppliers), có thể làm lộ thông tin nhạy cảm. Theo báo cáo của Proofpoint và Reuters, từ tháng 3 đến tháng 6/2025, các nhóm tin tặc liên kết với Trung Quốc đã nhắm vào ngành bán dẫn Đài Loan để đánh cắp thông tin.

Trong quá trình sản xuất chip tại các nhà máy, nguy cơ cài cắm mã độc phần cứng là một trong những mối đe dọa lớn nhất. Kẻ tấn công có thể chèn thêm mạch logic nhỏ vào thiết kế chip mà không bị phát hiện, làm thay đổi hành vi của hệ thống. Ví dụ, một dạng mã độc như Trojan có thể được kích hoạt khi chip chạy trong điều kiện cụ thể, từ đó rò rỉ khóa mã hóa hoặc dữ liệu nhạy cảm, hay làm giảm tuổi thọ linh kiện hoặc gây lỗi định kỳ để phá hoại sản phẩm.

Các cuộc tấn công như Meltdown và Spectre, đã gây chấn động trong ngành công nghiệp chip bán dẫn, cho thấy rằng những lỗ hổng này có thể tồn tại trong nhiều vi mạch khác nhau và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ thống bảo mật.

Theo các nghiên cứu trong khuôn khổ chương trình Trust in Integrated Circuits của DARPA (Cơ quan Dự án nghiên cứu Quốc phòng của Mỹ) cho thấy, chỉ cần thay đổi vài cổng logic trong hàng triệu transistor cũng đủ tạo ra một lỗ hổng tiềm ẩn mà các phương pháp kiểm thử truyền thống khó phát hiện.

Ngoài ra, một số quốc gia hiện phải đối mặt với nguy cơ backdoor trong chip nhập khẩu, đặc biệt là chip vi điều khiển, router hoặc module viễn thông, có khả năng truyền dữ liệu ngầm ra ngoài.

Sản xuất giả mạo và linh kiện không chính hãng

Vấn đề chip giả, chip tái chế hoặc sửa nhãn đang ngày càng phổ biến trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Theo các báo cáo của Bộ Thương mại Mỹ (DOC) và Văn phòng Kiểm toán Chính phủ (GAO) đã có hàng nghìn linh kiện điện tử trong chuỗi cung ứng quốc phòng Mỹ có thể là hàng giả hoặc không rõ nguồn gốc, ảnh hưởng đến hệ thống vũ khí và thiết bị trọng yếu.

Những chip này thường có hiệu năng thấp, dễ bị hỏng; không có lớp bảo mật tích hợp, dễ bị tấn công qua kênh vật lý; có thể chứa mạch gián điệp hoặc mã ẩn nhúng trong quá trình tái sản xuất.

Điều này không chỉ gây tổn thất kinh tế mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới an ninh quốc gia, đặc biệt trong các lĩnh vực như quốc phòng, hàng không, thiết bị y tế và viễn thông.

Thay đổi thiết kế trái phép

Một rủi ro nghiêm trọng khác đến từ giai đoạn thiết kế chip. Khi các công ty thuê ngoài một phần quy trình thiết kế (ví dụ cho đối tác nước ngoài hoặc bên thứ ba), mã nguồn phần cứng (HDL, IP core) có thể bị chỉnh sửa hoặc chèn thêm chức năng ẩn mà nhóm phát triển ban đầu không phát hiện được.

Năm 2012, các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge (Anh) phát hiện trong chip FPGA ProASIC3 của Actel tồn tại mạch điều khiển ẩn (hidden JTAG-like controller) có thể ghi đè các lệnh bảo mật, minh chứng cho nguy cơ “backdoor phần cứng”. Báo cáo “Threat Landscape for Supply Chain Attacks” được công bố vào năm 2021 của Cơ quan An ninh mạng Liên minh châu Âu (ENISA) đã cảnh báo rằng, giai đoạn thiết kế và công cụ EDA có thể bị “tampering” nếu các thành phần phần mềm hoặc thư viện không được xác thực chặt chẽ, tạo điều kiện cho kẻ tấn công chèn mã độc hoặc sửa đổi logic vi mạch.

Tuân thủ quy định pháp luật quốc tế

Ngành công nghiệp chip bán dẫn hoạt động trong một môi trường pháp lý phức tạp, với các yêu cầu tuân thủ khác nhau giữa các khu vực pháp lý khác nhau. Việc không tuân thủ các quy định, chẳng hạn như luật chống lao động cưỡng bức trong chuỗi cung ứng, có thể dẫn đến các khoản tiền phạt đáng kể, các thách thức pháp lý và gián đoạn hoạt động. Hơn nữa, những thay đổi trong chính sách thương mại, chẳng hạn như thuế quan hoặc kiểm soát xuất khẩu, có thể ảnh hưởng đến dòng chảy hàng hóa và nguyên vật liệu, dẫn đến tắc nghẽn chuỗi cung ứng.

Thiên tai và biến đổi khí hậu

Ngành sản xuất chất bán dẫn tập trung về mặt địa lý, với các trung tâm sản xuất chính ở các khu vực như Đông Á. Sự tập trung này khiến lĩnh vực này dễ bị ảnh hưởng trước các thảm họa thiên nhiên như động đất, lũ lụt và bão. Biến đổi khí hậu đang làm tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của các hiện tượng này, gây ra những rủi ro đáng kể cho các cơ sở sản xuất và mạng lưới hậu cần. Các doanh nghiệp cần đầu tư mạnh mẽ vào các kế hoạch phục hồi sau thảm họa và duy trì hoạt động kinh doanh để giảm thiểu những rủi ro này.

GIẢI PHÁP VÀ CHIẾN LƯỢC BẢO MẬT CHIP BÁN DẪN

Trước sự gia tăng của các mối đe dọa từ gián điệp mạng, chuỗi cung ứng phức tạp và nguy cơ tấn công phần cứng, bảo mật chip bán dẫn cần được triển khai đồng bộ từ thiết kế - sản xuất - kiểm định - vận hành.

Tăng cường bảo mật ngay từ giai đoạn thiết kế

Một trong những giải pháp hiệu quả nhất là tăng cường bảo mật ngay từ thiết kế của chip bán dẫn. Các nhà sản xuất chip có thể tích hợp các cơ chế bảo mật vào thiết kế của vi mạch để ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài. Các công nghệ như Trusted Execution Environment (TEE) và Hardware Security Modules (HSMs) giúp bảo vệ các dữ liệu nhạy cảm và quy trình tính toán trong môi trường an toàn.

Bên cạnh đó, các tổ chức cũng cần chú trọng đến việc iệc xây dựng chuỗi công cụ thiết kế đáng tin cậy như:

Xác thực mã IP và công cụ EDA: Theo báo cáo Threat Landscape for Supply Chain Attacks 2020 của ENISA, các công cụ thiết kế vi mạch (EDA tools) hoặc thư viện IP bên thứ ba có thể bị “tampering” nếu thiếu xác thực. Các hãng bảo mật như Synopsys, Cadence và Siemens EDA hiện đã tích hợp cơ chế ký số để đảm bảo tính toàn vẹn của IP và mã thiết kế.

Logic locking và Camouflaging: Đây là kỹ thuật nhúng “khóa logic” vào mạch nhằm ngăn sao chép hoặc chỉnh sửa trái phép. Một chip chỉ hoạt động đúng khi nhập khóa mật mã phù hợp. Nghiên cứu của IEEE Transactions on Computer-Aided Design (năm 2021) cho thấy phương pháp này giúp giảm đáng kể khả năng dịch ngược hoặc sao chép thiết kế.

Thiết kế an toàn với AI hỗ trợ: Các hệ thống học máy được dùng để tự động phát hiện bất thường trong sơ đồ logic, giúp phát hiện sớm các hành vi độc hại của mã độc.

Bảo mật trong sản xuất và kiểm định

Khi quy trình sản xuất được thuê ngoài, nguy cơ và xác suất cài cắm mã độc hoặc sửa đổi vi mạch là khá cáo. Đây là nhận định phổ biến trong nhiều tài liệu của DARPA, NIST, IEEE và ENISA, vì hơn 70% nhà máy bán dẫn toàn cầu hiện nay đặt ở các quốc gia ngoài Mỹ và EU.

Split Manufacturing: Một kỹ thuật được DARPA khuyến khích từ chương trình Trusted Foundry Program, tách quá trình sản xuất chip thành nhiều tầng (layer). Trong đó: Front-End-Of-Line (FEOL), gồm transistor và các tầng logic lõi, chứa phần “bí mật” nhất của thiết kế. Back-End-Of-Line (BEOL), gồm các tầng kết nối và đóng gói. FEOL được sản xuất tại nhà máy tin cậy trong nước, còn BEOL có thể sản xuất hoặc hoàn thiện ở nhà máy nước ngoài. Vì nhà máy BEOL không thấy toàn bộ thiết kế logic, nên rất khó để chèn mã độc hoặc sao chép chip hoàn chỉnh.

Kiểm định sau sản xuất (Post-fabrication testing): Áp dụng các phương pháp đo tín hiệu, quét công suất để phát hiện sai lệch hoặc mạch bất thường. Các viện nghiên cứu như Sandia National Laboratories và NIST đang phát triển chuẩn hóa cho quy trình kiểm định này.

Hardware Root of Trust (RoT): Tích hợp phần tử tin cậy ngay trong chip, thường là một module bảo mật (Secure Element hoặc TPM) chịu trách nhiệm xác thực firmware và đảm bảo chuỗi khởi động an toàn (secure boot chain). RoT hiện là tiêu chuẩn trong chip của ARM, Intel và RISC-V TrustZone.

Bảo vệ trong chuỗi cung ứng

Rủi ro chip giả, tái chế hoặc sửa nhãn vẫn là vấn đề nghiêm trọng. Các tổ chức như DOC và GAO đã nhiều lần cảnh báo về tình trạng linh kiện không rõ nguồn gốc trong chuỗi cung ứng quốc phòng.

Truy xuất nguồn gốc linh kiện (traceability): Áp dụng Blockchain hoặc sổ cái phân tán để theo dõi hành trình chip từ thiết kế, sản xuất đến lắp ráp. IBM và Viện Nghiên cứu bán dẫn của Bỉ (IMEC) đã có các dự án ứng dụng Blockchain trong quản lý chuỗi cung ứng bán dẫn nhằm ngăn chip giả xâm nhập thị trường.

Tem chống giả điện tử và nhận dạng bằng vật lý (Physically Unclonable Function - PUF): Mỗi chip có thể sinh ra “dấu vân tay” điện tử duy nhất dựa trên sai lệch vật lý tự nhiên trong quá trình sản xuất. Trong chuỗi cung ứng chip bán dẫn, PUF được dùng như “tem điện tử” giúp xác minh chip chính hãng. Các nhà sản xuất có thể đăng ký ID PUF của từng lô chip lên Blockchain hoặc cơ sở dữ liệu an toàn, để kiểm tra chip thật - giả - tái sử dụng trong khâu kiểm định hoặc bảo hành.

Kiểm tra định kỳ chuỗi cung ứng: Tại Mỹ, Bộ Quốc phòng (DoD) yêu cầu các doanh nghiệp bán dẫn thực hiện đánh giá định kỳ nhà cung cấp cấp 2-3 (sub-tier suppliers) trong khuôn khổ chương trình Trusted Supplier Accreditation và quy định DFARS 252.246-7007. Mục tiêu là phát hiện linh kiện giả, không đạt chuẩn, hoặc có nguồn gốc không xác thực trước khi được tích hợp vào thiết bị quân sự. Tại châu Âu, ENISA và Đạo luật Chip của EU cũng khuyến nghị áp dụng quy trình kiểm tra chuỗi cung ứng nhiều tầng, nhằm nâng cao khả năng truy xuất nguồn gốc và giảm rủi ro tấn công chuỗi cung ứng.

Bảo mật trong giai đoạn vận hành

Ngay cả sau khi chip được đưa vào sử dụng, nguy cơ tấn công qua kênh vật lý, firmware lỗi thời hoặc tấn công qua cập nhật OTA vẫn có thể tồn tại.

Cập nhật firmware an toàn: Sử dụng cơ chế mã hóa, ký số và xác thực firmware từ nhà sản xuất. Intel, AMD và Qualcomm đều đã triển khai hệ thống cập nhật bảo mật có xác thực (secure firmware update).

Giám sát hành vi: Các chip hiện đại ngày nay có thể tích hợp mạch theo dõi điện áp, công suất và tín hiệu điện bất thường (để phát hiện mã độc phần cứng hoặc lệnh ẩn), cũng như phát hiện hành vi vượt ngưỡng công suất bất thường.

Vòng đời bảo mật: Định kỳ rà soát và huỷ chip lỗi hoặc hết hạn sử dụng theo quy trình an toàn, tránh việc chip bị tái chế trái phép.

Đào tạo và nâng cao nhận thức về bảo mật

Bên cạnh các giải pháp kỹ thuật, yếu tố con người và quy trình vận hành đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an toàn cho toàn bộ vòng đời của chip bán dẫn. Việc đào tạo và nâng cao nhận thức về bảo mật cho kỹ sư thiết kế vi mạch, chuyên gia vận hành và đội ngũ kiểm định là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm thiểu rủi ro xuất phát từ sai sót hoặc hành vi vô ý.

Trong thực tế, nhiều lỗ hổng phần cứng không bắt nguồn từ lỗi thiết kế mà đến từ thiếu hiểu biết về mô hình tấn công, quy trình xác thực IP hoặc quản lý quyền truy cập trong môi trường phát triển. Ví dụ, một kỹ sư vô tình sử dụng thư viện IP từ nguồn không đáng tin cậy hoặc công cụ EDA chưa được xác thực chữ ký số có thể tạo điều kiện cho kẻ tấn công cài mã độc vào giai đoạn thiết kế. Do đó, việc phổ biến kiến thức về chuỗi cung ứng tin cậy và thiết kế an toàn cần trở thành một phần bắt buộc trong quy trình đào tạo nội bộ.

KẾT LUẬN

Chip bán dẫn là yếu tố quan trọng trong cơ sở hạ tầng công nghệ hiện đại, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức về an ninh mạng. Vì thế, bảo mật chip bán dẫn không còn là vấn đề kỹ thuật thuần túy, mà là yếu tố sống còn trong an ninh quốc gia và kinh tế số. Việc kết hợp đồng bộ giữa thiết kế an toàn, sản xuất đáng tin cậy, xác thực chuỗi cung ứng và tiêu chuẩn hóa toàn cầu sẽ là chìa khóa để bảo vệ hệ sinh thái bán dẫn khỏi các mối đe dọa ngày càng tinh vi trong kỷ nguyên cạnh tranh công nghệ hiện nay.