デバイスの消耗を活用した動作時限付きシステムアーキテクチャの研究

Research Project

Project/Area Number	19K22848
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	小野貴継九州大学, システムLSI研究センター, 准教授 (80756239)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords	ハードウェアセキュリティ / 動作期限付きアーキテクチャ / IoTセキュリティ / 動作時限付きシステムアーキテクチャ / ハードウエアセキュリティ
Outline of Research at the Start	すべてのIoT（Internet of Things）機器が継続して正しく管理されるとは限らないことから，セキュリティの問題を有したIoT機器が長期間インターネットに接続される可能性がある．そこで，事前に定めた動作期間が経過した後，物理的に一部の機能（例えばインターネットへの接続）を無効化する技術の実現を目指す．動作可能期間は変更不可能にするため，デバイスそのものが物理的に消耗する素子を活用して実現する．次に，一度無効化した機能を再び有効化できない仕組みを開発する．これらの要件を満たすアーキテクチャ及び回路を開発し，シミュレーションによるコンセプトの実証を目指す．
Outline of Annual Research Achievements	本研究ではIoT（Internet of Things）機器を一定期間利用した後，強制的にインターネットから遮断するなど一部の機能の利用を制限するハードウェア技術の開発を目指す．センサなど広範囲に大量に設置するようなIoT機器の場合，利用者が長期にわたり確実に管理することは難しい．正しく管理されないIoT機器が長期間インターネットに接続された状態になる恐れがある．攻撃者はこれらIoT機器の脆弱性等を利用して悪用することが考えられる．IoT機器の場合，その利用者は乗っ取りに直ちに気付くことができず，長期にわたり悪用される可能性もある．管理が保証されない以上，IoT機器の動作期間は設計者または利用者によって利用開始前に定義できるような仕組みが必要である．そこで，一定期間経過後に強制的に一部の機能を制限するハードウェア技術が必要になる．このように，一定期間の利用制限を確実に実現するためには要素技術として，IoT機器の動作可能期間設定技術とIoT機器機能無効化技術が必要である．本年度はこれらのうち，主にIoT機器の動作可能期間設定技術に関する取り組みを実施した．本研究では，利用とともに物理的に消耗し，最終的には所望の動作を行うことができない，つまり，ウェアアウトするデバイスを活用することを検討した．このようなデバイスが本来有している性質を活用する．具体的には，不揮発メモリの一種であるPCM（Phase Change Memory）を用いることとした．PCMは保持する値の書き換え回数に上限がある．書き換え回数の上限値に達するまでの間を動作可能期間として定める．仮に攻撃者が動作可能期間を変更することを試みたとしても，PCMの性質上その上限値を増やすことは不可能である．また，PCMを用いた動作可能期間設定を目的とした回路の検討を実施した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度はIoT機器の動作可能期間設定技術の実現に向けて検討を進めた．たとえば，カウンタ回路などを用いてしきい値に達すると機能を制限するという方法が考えられる．しかしながら，攻撃者によるカウンタ値の改ざんなどの懸念が生じる．攻撃者によって改ざんが困難な実装であることが望ましい．そこで本研究では，デバイス自体が有している変更不可能な特性を利用することを検討した．不揮発メモリの一種であるPCM（Phase Change Memory）は書き換え可能な回数に上限がある．たとえば通信の度にPCMの値を書き換えることとし，この値が書き換え可能な期間のみIoT機器は正常に動作する．仮に書き換えができないことが分かった場合，動作可能期間が経過したものとして，インターネットから切断するなどの措置をとる．PCMデバイスはまだ広く普及しておらず，量産時点でその生産技術がどのようなレベルにあるか予測できないが，PCMの書き換え可能回数にはばらつきが生じることが考えられる．そこで，ばらつきが生じたとしても所望の動作可能期間が設定できるようなアーキテクチャの検討を実施した．
Strategy for Future Research Activity	来年度はIoT機器の動作可能期間技術を完成させるため，PCMを用いた提案回路の有効性を定量的に評価する予定である．PCMの書き換え可能回数の上限値およびそのばらつき具合を入力として，所望の動作可能期間を達成するためにどの程度のPCMセルが必要になるのか定量的に評価する．これにより導かれたPCMセル数や回路構成に基づき，消費電力を定量的に評価する．そして，IoT機器に組み込むことが可能な範囲の消費電力・面積増加であるかを評価する予定である．また，IoT機器機能無効化技術についても検討を進める．確実かつ不可逆的に一部の機能のみを無効化することが求められる．これらの要件を満たす手法について提案し，評価する予定である．