如何看待美国研究人员设计出的「无法被黑的芯片」？
首先，我们得明确一点：在信息技术领域，“绝对安全”是一个极其难以企及的目标。黑客们总是有办法利用软件漏洞、物理攻击、甚至社会工程学等多种手段来试图破解系统。所以，当美国研究人员说“无法被黑”时，他们更倾向于是在指一种极大地提升芯片安全性的新设计范式，而不是一个绝对不会被攻破的“神级”芯片。
那么，他们究竟是怎么做到的呢？这项研究的关键在于对计算模型本身的安全逻辑进行了重塑。传统的芯片设计，即使有各种安全措施，其底层运作逻辑依然是建立在可以被远程访问和操纵的冯·诺依曼架构基础上。这意味着，理论上，任何能够理解并利用其指令集的人，都有可能找到漏洞。
而“无法被黑的芯片”的设计，据说采用了“不可信的硬件”（Untrusted Hardware）设计理念，并且将安全计算的逻辑剥离出来，变成一个相对独立的、难以被外部干扰的模块。这背后可能涉及以下几个核心技术或思路：
1. 硬件安全模块（HSM）的极致化和去中心化： 传统的HSM通常是芯片内部的一个加密协处理器，用于处理敏感的密钥管理、加密和解密操作。而这种“无法被黑的芯片”的设计，很可能将安全计算的功能进一步强化、细化，并可能采用一种分布式或者高度隔离的架构。想象一下，安全相关的计算不再是芯片上的一个“小角落”，而是成为芯片整体架构中一个内生的、具有独立验证机制的“安全岛”。
2. “安全领域”的物理隔离与认证： 关键的安全计算逻辑可能被封装在一个高度隔离的硬件区域，这个区域的访问权限和通信方式都受到极其严格的限制。而且，这种隔离不单单是逻辑上的，可能还包含了物理层面的保护，例如特殊的制造工艺，使得外部探测（如侧信道攻击，通过测量功耗、电磁辐射等来推断信息）变得极其困难。更重要的是，这个“安全领域”内部的计算流程，可能拥有自校验或自认证的能力，能够检测到任何非预期的操作或指令，并立即中断或报告。
3. “不可信计算”的假设： 这种设计可能基于一种“我们不能信任芯片的任何其他部分”的假设。换句话说，芯片的其余部分，包括主处理器、内存控制器等等，都可能被视为潜在的、容易被攻击的“非安全区域”。只有那个被专门设计的“安全计算模块”才能被信任。所有的敏感操作，比如私钥的生成、存储、使用，或者访问控制策略的验证，都必须在这个绝对隔离且经过充分验证的“安全计算模块”内部完成。
4. 基于“认证的计算”或“可验证计算”的思想： 为了确保“安全计算模块”的正确性，研究人员可能引入了“认证的计算”（Attested Computing）或“可验证计算”（Verifiable Computing）的概念。这意味着，当这个安全模块执行某个任务时，它不仅能完成任务，还能向请求者提供一个“证明”，证明它确实按照预期的、安全的逻辑完成了计算，并且在这个过程中没有受到任何干扰。这种证明可能通过加密的方式生成，并且可以被外部独立验证。
5. 极端的“零信任”设计： 如果将其应用到整个芯片的运作，那就是一种极端版本的“零信任”架构。芯片内部的任何一个组件，甚至是不同的功能模块之间，都不能默认信任对方。所有的数据传输和操作都需要经过严格的身份验证和授权，而这些验证和授权的逻辑，则被高度集中并保护在那个“安全计算模块”中。
那么，这样的设计会带来什么影响？
颠覆性的安全能力： 如果这种技术能够实现，它将为各种对安全性要求极高的场景提供前所未有的保障。例如：
金融交易： 保护加密货币的私钥，确保交易的安全性。
国家安全： 保护机密信息的加解密，防止军事通信被窃听。
物联网（IoT）设备： 使大量连接到网络的IoT设备不易被劫持，避免成为僵尸网络的一部分。
关键基础设施： 保护电网、交通系统等关键基础设施的控制指令不被篡改。
身份认证： 构建更安全的数字身份系统。
重塑硬件供应链安全： 目前，硬件供应链的安全是一个巨大的挑战，芯片在制造、运输、分发过程中都可能被植入后门。如果这种“无法被黑的芯片”设计能够成功，它可以在硬件层面提供更强大的保障，即使芯片在制造过程中被植入恶意代码，也无法触及其核心的安全计算逻辑。
新的商业模式和市场： 能够提供如此高安全性芯片的公司，将占据绝对的市场优势，催生新的安全服务和解决方案。
当然，这样的技术也面临着不小的挑战和疑问：
实现难度和成本： 设计和制造如此高度隔离和安全的芯片，其技术门槛和制造成本必然会非常高。这可能会限制其初期应用范围。
性能影响： 为了实现极致的安全，是否会牺牲一定的计算性能？或者为了确保安全计算的独立性，需要增加额外的硬件资源，导致芯片体积更大、功耗更高？
“无法被黑”的定义是否过于绝对？ 即使是最坚固的盾牌，也可能在漫长的历史中找到其弱点。研究人员的“无法被黑”可能是在某个特定的攻击模型下成立。当技术发展到一定程度，出现新的攻击手段时，是否还能保持这种安全性？
软件与硬件的协同： 芯片的安全性很大程度上依赖于整个系统的软件和固件。如何确保与这种新设计芯片协同工作的软件也是安全的，将是一个新的课题。
验证的挑战： 如何去“证明”一个芯片是“无法被黑”的？这本身就需要一套极其严格且可信的验证流程和标准。
总而言之，美国研究人员提出的“无法被黑的芯片”是一个令人振奋的突破性概念。它不仅仅是简单的安全升级，而是对芯片安全设计范式的根本性革新。如果它能够成功地从实验室走向实际应用，那么它将极大地提升数字世界的安全基石，对我们每个人、每个行业乃至于国家安全都产生深远的影响。当然，实现这一目标还有很长的路要走，需要克服技术、成本和验证等方面的重重困难。但这个方向无疑是值得我们高度关注的，它代表了信息安全领域未来发展的一个重要方向。
网友意见
刚听说这条消息的时候，我直接就是一个嗤之以鼻。一个系统只要能接受来自人类的指令，就一定存在相应的攻击向量。你可以不断拔高攻击的难度，但是“不可攻破”就是痴人说梦了，研究人员和记者两方必有一方是骗人的小狗。
于是我翻开相关论文，扫了一眼相关机构，嗯……密歇根大学、UT Austin、普林斯顿大学，还拿了美国国防高级研究计划局（DARPA）足足360万经费，好，肯定是记者的报道出了偏差，他是要负责任的。
批判完记者的标题党行为之后，我怀着对新架构的好奇继续读完了论文，然后……我感觉整个人都陷入了一种“哇”的状态。这个 MORPHEUS 架构虽然远远谈不上“不可攻破”，但是它却有可能将一类相当常见、相当泛滥的漏洞彻底根除，对信息安全领域产生深刻的影响。
那么，请容我在这里卖个关子。在 CPU 架构层能根绝的漏洞类型不多，猜到是哪一种了吗？
比较书卷气的答案是控制流劫持（Control-Flow Hijacking）。这个叫法有点太学术了，不少人可能听不懂我说的是什么。但如果我说溢出攻击（Overflow）的话，想必有人就会恍然大悟了。
其实严格来讲，这两个概念并不完全一样。
溢出攻击指的是黑客通过一些内存读写方面的逻辑漏洞，恶意覆盖某段内存，把里面的数据污染成自己想要的内容。如果黑客污染的是跳转地址、函数返回地址等数据的话，就能实现控制流劫持，操纵程序跳转到自己想要的任意位置；污染其他敏感数据的话，又会产生别的效果，比如篡改关键校验位、提升权限等。
目前，MORPHEUS 架构对后一种情况还力不从心，但是对于前一种情况却有着极其优异的表现。我所说的“极其优异”，是指跟目前所有防护手段相比，MORPHEUS 都呈现出压倒性的安全优势和性能优势。在看完了具体数据之后，我甚至开始有些害怕：如果美方单方面地将这类“安全处理器架构”发展成熟，列装到政府系统和军用系统里，中方在这个领域会不会变得只能被动挨打？只能看着敌人把这些高危攻击砸在我们的系统里，我们却无法还击？想必美国的国防高级研究计划局也是因为看到了这种可能，才会豪掷360万美金参与打造了 MORPHEUS 的原型机，以求能在这个方向上领先一步占据优势。
好了，危言耸听了这么多，是时候科普一下目前为止 MORPHEUS 公开的技术细节了。在开始科普之前，先来贴一下相关论文链接：Morpheus: A Vulnerability-Tolerant Secure Architecture Based on Ensembles of Moving Target Defenses with Churn.
0x01 浅谈栈溢出攻击
为了照顾背景知识不足的读者，我们先来简单聊一聊一类常见的控制流劫持攻击——栈溢出攻击（Stack Overflow）。
有编程背景的同学应该都知道，一个函数调用的内存是在栈（Stack）上分配的，其中包含着这个函数执行结束后应该返回的位置。
栈溢出攻击，就是利用程序读写内存时出现的逻辑缺陷，将这个返回地址覆盖成攻击者想要的地址，让程序跳转到攻击者预先注入的一段恶意程序上，接管整个程序的执行。
显而易见地，为了让这整段攻击顺利完成，攻击者需要达成起码三项条件：
- 成功覆盖某段关键内存，比如函数返回地址。
- 覆盖后成功跳转到一段恶意代码。
- 跳转到的恶意代码成功得到执行。
所有关于栈溢出的攻防，总归是要围绕这三项条件展开的，比如：
- Rust 、C∀ (C for all) 等项目想要设计出更安全的编程语言，从源头上杜绝攻击者覆盖内存。但是由于包括 Linux 内核在内的老旧C语言项目数量太多、规模太大，在将来十到二十年内也许看不到将它们全部移植到安全语言的可能。
- 代码指针完整性校验（Code-Pointer Integrity, CPI）与代码指针隔离（Code-Pointer Seperation, CPS）则是把所有指向代码的指针都隔离存放到一块安全的区域里，并且限定读写这些指针的条件，防止攻击者将它们覆盖、指向恶意代码。
- 地址空间布局随机化（Address Space Layout Randomization, ASLR）可以打乱数据在内存中的分布，让攻击者找不到自己注入的恶意代码，从而阻止恶意跳转发生。然而 ASLR 仅仅会在程序加载时打乱一次，之后不再进行打乱，因此可以通过堆喷（Heap Spray）等攻击手段绕过。
- 控制流完整性校验（Control-Flow Integrity, CFI）试图审计与监控跳转行为，拦截所有可疑的跳转。但是这样的方案理所当然地会产生严重的性能负担，所以现有的 CFI 方案基本都为了性能牺牲了安全性，留下了种种破绽。
- 数据执行保护（Data Execution Prevention, DEP）和指令集随机化（Instruction-Set Randomization, ISR）等防护可以阻止未授权的代码在设备上执行，但是这类防护大都可以通过面向返回编程（Return-Oriented Programming, ROP）、面向跳转编程（Jump-Oriented Programming, JOP）等手段绕过。
这些年来，CPI 和 CFI 都是相当热门的研究方向。尤其是 CPI，不仅通过形式化证明论证了自己理论上百分之百的安全性，性能数据也相当喜人。根据 SPEC2006 的性能测试结果，应用了 CPI 技术后，程序的运行时间平均增加 8.5%，最差情况下增加 44.2% ，远低于“细粒度 CFI”等相同安全级别的防护手段。
但是，让我们把目光放回到今天的主角身上，MORPHEUS 的性能表现又是如何呢？
同样是 SPEC2006 性能测试，程序运行在标准的 MORPHEUS 架构上时，运行时间平均增加 0.86%，最差增加 6.71%，碾压了几乎全部的已知手段。这个悬殊的结果乍一看让人觉得有些不可思议，但细想之后又是理所当然：MORPHEUS 所用到的所有操作，都是在硬件层由电路直接支持的，怎么可能会不快呢。其他防护手段想要胜过 MORPHEUS，估计只能从安全性上做文章了。
遗憾的是，在读过 MORPHEUS 的设计之后，我觉得其他手段在安全性上应该也很难和它比肩了。因为在 MORPHEUS 的设计里，我觉得我能看到所有已知手段的影子。
0x02 MORPHEUS 架构原理
MORPHEUS架构的原理，用论文标题中的一段就能完美概括：“Ensembles of Moving Target Defenses with Churn”，直译成中文的话，就是“将若干种移动目标防御手段结合使用，并且反复进行搅乱操作”。
移动目标防御（Moving Target Defenses）是近些年各国都极其重视的发展方向，被美国国土安全部称为“改变游戏规则的新型信息安全技术”。它的基本思想很简单：在传统的静态系统里，大部分的敏感数据都是固定不变的，攻方可以有相当宽裕的时间进行刺探和信息收集，而守方只能在出事之后被动应对，处于敌暗我明的不利局面。移动目标防御的目的，就是让整个系统活动起来、随机起来，让攻方刺探到的每一条信息都迅速失效，拉平攻守双方的信息不对称。
可以被归类为移动目标防御的技术手段有很多，比如我们常见的银行数字令牌，就属于一次性密码（One-Time Password）的范畴。而在控制流劫持这个领域，我们主要用到的技术是之前提到的 ASLR 和 ISR，这里让我们复读一下：
- 地址空间布局随机化（Address Space Layout Randomization, ASLR）可以在程序每次加载时，打乱数据在内存中的分布，让攻击者找不到自己注入的恶意代码。
- 指令集随机化（Instruction Set Randomization, ISR）可以在程序每次加载时，为 CPU 制定一套加密过的指令集，并且把内存里的每一行代码都转换成加密过的指令集。这样一来，由于黑客不知道程序这次运行所使用的指令集，他写出来的二进制代码也就不可能正常执行。
这两种 MTD 都只会在程序加载时执行一次，所以又被称为加载时移动目标防御（Load-time MTD）。显然，它们的防护力度并不够理想，尤其是对于各种服务器软件来说，一次运行往往要持续好几个月，期间地址空间布局和指令集都会保持不变，给攻击者留下充足的刺探时间。
既然如此，那这几个月我们对服务器软件随机做几次 ASLR 和 ISR，是不是就能解决问题了呢？很遗憾，对于传统 CPU 架构来说这基本是不可能的。这种行为打个比方的话，就相当于是在客机飞行期间给发动机换零件，发动机还不能熄火。如果这都不爆炸的话，你修的可能是纸飞机。
而 MORPHEUS 架构的奇妙之处，就在于它把 ASLR 和 ISR 转换成了两种效果相仿的操作，并且在架构层添加了若干电路和一个搅乱单元（Churn Unit）进行硬件支持，把“万米高空修飞机”这个虚幻操作变成了可能。更夸张的是，它不仅把这个操作变成了可能，还把它变得贼快，以至于你可以每 50ms 搅乱一次，对性能的损耗却仅仅只有 0.86% 左右。
这个魔术具体的实现细节比较繁琐，我在科普文里就不再细讲了，有兴趣的朋友可以看一下论文的4.2、4.3和4.4节。顺便一提，4.3节的 Domain Encryption 不仅仅有 ISR 的效果，它同时还加密了代码指针（Code Pointer），起到了类似 CPI/CPS 的防护效果。
在论文之中，有一张图很好地体现了 MORPHEUS 架构的优越之处：
图中的“Probe”表示攻击者在进行嗅探的时间。上中下三条分别表示：
- 没有移动目标防御的情况下，攻击者简单进行一次嗅探就可以开始攻击了。
- 使用移动目标防御之后，攻击者的嗅探时间被拖得很长，但是还是成功进行了攻击。
- 而在 MORPHEUS 架构下，攻击者每次嗅探都遭到了疯狂打断，一次攻击都没能完成。
更无情的是，MORPHEUS 架构还吸取了 DEP 的核心思想，实现了对可疑行为的动态检测。
在 MORPHEUS 架构上，设计人员定义了四种数据类型：代码（C）、数据（D）、代码指针（CP）、数据指针（DP）。MORPHEUS 的编译器会标记每块内存的身份，帮助 CPU 判断用户的行为合不合理，比如：
- 一块内存被标记为数据，用户却要把它当成代码去执行，这明显就是一个恶意行为，MORPHEUS 会直接终止程序执行。
- 一块内存标记为代码指针，用户却要对它进行加减乘除，这很可能是攻击者在进行嗅探，属于可疑行为，会当场触发一次搅乱（Churn）。
这一整套组合下来，对于攻击者来说基本就是地狱难度了。即使攻击者小心翼翼地绕过了行为检测，他也只有顶多50毫秒的时间进行操作。这50毫秒可能还不够数据包传到服务器上，所有的敏感数据就全打乱了。这种感觉就好像是猎人进山打鸟，发现山里的鸟竟然都会瞬移，别说站远处打了，枪口顶在鸟头上你都打不中，这种效果简直令猎人绝望。
0x03 头脑冷静时间
那么，MORPHEUS 架构是否就是我们要找的“银弹”了？是否就是完美的解决方案了？
坦白地说，现在还不知道，因为还没有看到形式化证明。即使有了形式化证明，也只是证明了理论上的绝对安全。实际做成产品之后，又会因为现实世界的不完美而出现种种缺陷。即使实际产品也已经做到尽善尽美了，它所解决的问题也只是信息安全领域一个相当狭窄的子集，在这之外还有浩如烟海的漏洞是 MORPHEUS 无能为力的。
不过，就算 MORPHEUS 本身不是我们在找的银弹，它也为我们指出了一条前景似乎非常美妙的道路——基于硬件进行高速 MTD，把攻击者直接逼上绝路。这条路如果真的能够走通的话，对于信息安全领域绝对会产生非常深刻的影响，甚至可能衍生出一批“耐漏洞”的计算机架构，让人类永远摆脱漏洞挖掘这项繁琐又枯燥的工作。
当然，如果真有那一天，安全行业恐怕就要大失业了。
最后顺便闲聊两句吧。
这段时间日子过得比较忙，索性从知乎上淡出了两个月，做个简单的休息与调整，毕竟一直坚持输出干货实在是太累了。现在休息得差不多了，手里也攒了一些比较有意思的材料，接下来应该会小小地活跃一阵子，欢迎关注。
另外，觉得本文有价值的话，欢迎点个赞支持一下。对信息安全感兴趣的同学，也欢迎阅读我写的其他信息安全科普类文章：
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