Research for secure processors based on the microarchitectural state modeling

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K20235
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 60040:Computer system-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: TANIMOTO TERUO 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (60826353)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: コンピュータアーキテクチャ / セキュリティ

Outline of Final Research Achievements

We constructed an environment to execute Spectre, an attack targeting the speculative execution function of out-of-order processors, using gem5, a cycle-accurate processor simulator, to obtain its instruction profiles. Furthermore, we modeled the mechanism and identified the successful locations of the attack mechanism in the traces executed by the processor simulator. We then implemented countermeasures against the attacks in software and visualized the impact on performance when these countermeasures were implemented by running them on the simulator. This revealed the overhead of the countermeasures in software and enabled comparison of the overhead with countermeasures at the hardware level.

Free Research Field

コンピュータアーキテクチャ

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マイクロプロセッサにおいて投機実行はその性能を向上するために極めて重要な技術である。しかしながらマイクロアーキテクチャ攻撃によって意図しない副作用が悪用され、機密情報の漏洩などのサイドチャネル攻撃が可能である脆弱性が複数報告されている。ハードウェア起因の脆弱性はシステム運用開始後の修正が困難であることが多く、また、設計時に未知の攻撃へ対策するのは本質的に困難である。本研究の成果はこのような脆弱性を可視化し、その対策のオーバヘッドを可視化することに成功した点でコンピュータシステムの高セキュリティと高性能双方の実現に資する。