中汽芯技術(shù)專題｜車規(guī)環(huán)境對芯片信息安全功能及性能的影響解析
汽車芯片是法律法規(guī)以及強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)對整車信息安全要求的根本載體，是整車信息安全、數(shù)據(jù)安全的底層防線。隨著車載系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的深度融合，汽車芯片已從傳統(tǒng)的功能執(zhí)行單元躍升為處理海量數(shù)據(jù)、支撐車云協(xié)同的智能核心節(jié)點(diǎn)，其信息安全防護(hù)能力直接影響了整車的安全性與可靠性。與此同時(shí)，個(gè)人信息被竊取、車輛CAN總線數(shù)據(jù)被惡意監(jiān)控，乃至智能駕駛系統(tǒng)被遠(yuǎn)程操控等事件頻發(fā)，為信息安全防護(hù)帶來了新的挑戰(zhàn)。信息安全，尤其是芯片信息安全，面臨的威脅日益多樣化，涉及的風(fēng)險(xiǎn)往往具有高度的隱蔽性和復(fù)雜性。
對于汽車芯片而言，其工作環(huán)境復(fù)雜多變，根據(jù)場景不同，需在-40℃至最高150℃的寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。溫度環(huán)境對芯片信息安全功能及性能存在一定影響，因此確保芯片信息安全功能在車規(guī)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定正常工作至關(guān)重要。
溫度對芯片特性的影響
在高溫環(huán)境影響下，晶振內(nèi)部的晶體會趨向不穩(wěn)定，導(dǎo)致時(shí)鐘信號偏移，影響密碼算法的時(shí)序邏輯，進(jìn)而可能導(dǎo)致密碼模塊失效或產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出。另外高溫會導(dǎo)致芯片功耗增加，可能觸發(fā)過溫保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致芯片降頻或重啟，從而中斷安全功能的執(zhí)行。
高溫環(huán)境下CMOS電路的轉(zhuǎn)移特性
公式 構(gòu)成電路的基本單元——MOSFET的閾值電壓隨溫度變化
在低溫環(huán)境影響下，SRAM單元中的數(shù)據(jù)可能在掉電后仍保持?jǐn)?shù)分鐘，這為冷啟動攻擊（Cold Boot Attack）提供了可乘之機(jī)，攻擊者可通過快速重啟讀取殘留數(shù)據(jù)。此外，低溫可能導(dǎo)致晶振的啟動時(shí)間延長，甚至無法正常起振，導(dǎo)致芯片無法正常初始化，影響芯片安全功能的啟動和執(zhí)行。
溫度對密碼算法實(shí)現(xiàn)的影響
密碼算法是芯片信息安全功能的核心，其實(shí)現(xiàn)依賴于硬件邏輯和時(shí)序的精確性。溫度變化可能對密碼算法的執(zhí)行產(chǎn)生以下影響：一是時(shí)序邏輯失效。高溫下時(shí)鐘信號失真可能導(dǎo)致密碼算法的時(shí)序邏輯錯(cuò)誤，例如導(dǎo)致AES算法加密過程中的輪密鑰生成錯(cuò)誤，或RSA算法的模冪運(yùn)算結(jié)果異常等。二是真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG）失效。許多密碼算法依賴于真隨機(jī)數(shù)生成器生成密鑰或初始化向量，高溫或低溫可能導(dǎo)致真隨機(jī)數(shù)生成器的熵源不穩(wěn)定，進(jìn)而影響密鑰的隨機(jī)性和安全性。三是側(cè)信道攻擊風(fēng)險(xiǎn)增加。溫度變化可能改變芯片的功耗特征，使得側(cè)信道攻擊（如差分功耗分析）更容易實(shí)施，攻擊者可通過分析芯片在不同溫度下的功耗特征，推測出加密密鑰。
溫度對芯片通信接口的影響
芯片與外部模塊的通信接口（如SPI、I2C、CAN等）也會受到高低溫環(huán)境影響。一方面是導(dǎo)致信號完整性下降。高溫下信號線的阻抗匹配可能失效，導(dǎo)致通信誤碼率增加；而低溫下信號傳輸延遲可能增加，導(dǎo)致通信超時(shí)或中斷。另一方面是協(xié)議層錯(cuò)誤。通信協(xié)議中的校驗(yàn)機(jī)制（如CRC）可能因溫度導(dǎo)致的信號失真而失效，進(jìn)而引發(fā)協(xié)議層錯(cuò)誤，影響加密數(shù)據(jù)的傳輸和驗(yàn)證。
案例實(shí)踐
在實(shí)際測試中，我們對兩款汽車芯片在高低溫環(huán)境下的信息安全功能和性能進(jìn)行了對比分析：
芯片A在高溫和常溫下表現(xiàn)良好，信息安全功能正常。但在低溫環(huán)境下，由于晶振啟動失敗，導(dǎo)致芯片無法正常初始化，進(jìn)而引發(fā)通信中斷，信息安全功能失效。
芯片B在異常溫度下，大部分密碼算法（如AES、SHA-256）仍能正常工作，但部分算法（如RSA-2048）出現(xiàn)功能異常。芯片內(nèi)部的自檢功能檢測到異常并生成報(bào)告，相關(guān)模塊的功能需恢復(fù)至室溫后才能重新執(zhí)行。
以上案例表明，高低溫環(huán)境對芯片信息安全功能具有顯著影響，且不同設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式的芯片對溫度的適應(yīng)性存在較大差異。
汽車芯片信息安全標(biāo)準(zhǔn)情況
為應(yīng)對車規(guī)環(huán)境對芯片信息安全功能的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正在積極推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測試技術(shù)的研究。2024年1月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《國家汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，將汽車芯片信息安全列為標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)通用要求中的關(guān)鍵項(xiàng)目。其中，推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車芯片信息安全技術(shù)規(guī)范》于2025年7月8日面向行業(yè)公開征求意見，預(yù)計(jì)今年年底開展審查報(bào)批工作。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了針對密鑰管理、密碼算法支持、安全啟動等14項(xiàng)汽車芯片信息安全功能的具體技術(shù)要求及對應(yīng)的試驗(yàn)方法，并給出了針對不同應(yīng)用場景、不同芯片類型的芯片信息安全分級方法，建立了一套適用我國行業(yè)需求的汽車芯片信息安全技術(shù)體系。該標(biāo)準(zhǔn)提出，需在產(chǎn)品聲稱的工作溫度條件下，對芯片的信息安全功能有效性進(jìn)行測試。
結(jié)語
從硬件級安全防護(hù)到安全通信協(xié)議的全面實(shí)現(xiàn)，汽車芯片在信息安全領(lǐng)域扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色，已然成為保障智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全運(yùn)行的核心基石。通過深入理解溫度對芯片物理特性、密碼算法實(shí)現(xiàn)和通信接口的影響機(jī)制，結(jié)合嚴(yán)格的測試和標(biāo)準(zhǔn)制定，可以有效提升汽車芯片在車用環(huán)境下的信息安全性能和功能穩(wěn)定性。
中汽芯將持續(xù)深耕汽車芯片信息安全領(lǐng)域，致力于構(gòu)建安全可靠的智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)，為行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動力與堅(jiān)實(shí)保障。