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.