Un equipo de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha diseñado y encargado la producción de un chip de computadora que implementa la criptografía post-cuántica de manera muy eficiente. Dichos chips podrían brindar protección contra futuros ataques de piratas informáticos utilizando computadoras cuánticas. Los investigadores también incorporaron troyanos de hardware en el chip con el fin de estudiar métodos para detectar este tipo de “malware de fábrica de chips”.
Los ataques de piratas informáticos a las operaciones industriales ya no son ciencia ficción, ni mucho menos. Los atacantes pueden robar información sobre los procesos de producción o cerrar fábricas enteras. Para evitar esto, la comunicación entre los chips en los componentes individuales está encriptada. Sin embargo, en poco tiempo, muchos algoritmos de cifrado se volverán ineficaces. Los procesos establecidos que pueden combatir los ataques lanzados con las tecnologías informáticas actuales estarán indefensos frente a las computadoras cuánticas. Esto es especialmente crítico para equipos con una vida útil prolongada, como las instalaciones industriales.
Por esta razón, los expertos en seguridad de todo el mundo están trabajando para desarrollar estándares técnicos para la “criptografía post-cuántica”. Uno de los desafíos lo plantea la enorme potencia de procesamiento necesaria para estos métodos de cifrado. Un equipo que trabaja con Georg Sigl, profesor de seguridad en tecnología de la información en TUM, ha diseñado y encargado un chip altamente eficiente para criptografía post-cuántica.
Velocidad y flexibilidad a través de una combinación de hardware y software
El profesor Sigl y su equipo adoptaron un enfoque basado en el co-diseño de hardware / software, en el que los componentes especializados y el software de control se complementan. “El nuestro es el primer chip para la criptografía post-cuántica que se basa completamente en un enfoque de codiseño de hardware / software”, dice el profesor Sigl.
“Como resultado, es alrededor de 10 veces más rápido cuando se encripta con Kyber, uno de los candidatos más prometedores para la criptografía post-cuántica, en comparación con los chips basados completamente en soluciones de software. También usa alrededor de ocho veces menos energía y es casi tan flexible”.
Basado en un estándar de código abierto
El chip es un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC). Este tipo de microcontrolador especializado a menudo se fabrica en grandes cantidades de acuerdo con las especificaciones de las empresas. El equipo de TUM modificó un diseño de chip de código abierto basado en el estándar RISC-V de código abierto. Es utilizado por un número creciente de fabricantes de chips y podría reemplazar los enfoques patentados de las grandes empresas en muchas áreas. Las capacidades de criptografía post-cuántica del chip se facilitan mediante una modificación del núcleo del procesador e instrucciones especiales que aceleran las operaciones aritméticas necesarias.
El diseño también incorpora un acelerador de hardware especialmente diseñado. No solo admite algoritmos de criptografía post-cuántica basados en celosía como Kyber, sino que también podría funcionar con el algoritmo SIKE, que requiere mucha más potencia de cálculo. Según el equipo, el chip desarrollado en TUM podría implementar SIKE 21 veces más rápido que los chips que utilizan solo cifrado basado en software. SIKE se considera la alternativa más prometedora si llega el momento en que los enfoques basados en celosía ya no sean seguros. Las precauciones de este tipo tienen sentido en aplicaciones en las que se utilizarán chips durante períodos prolongados.
Los troyanos de hardware evaden la criptografía post-cuántica
Otra amenaza potencial, junto con el aumento de los ataques convencionales, son los troyanos de hardware. Los chips de computadora generalmente se producen de acuerdo con las especificaciones de las empresas y se fabrican en fábricas especializadas. Si los atacantes logran instalar circuitos troyanos en el diseño del chip antes o durante la etapa de fabricación, esto podría tener consecuencias desastrosas. Como en el caso de los ataques de piratas informáticos externos, se podrían cerrar fábricas enteras o robar secretos de producción. Es más: los troyanos integrados en el hardware pueden evadir la criptografía poscuántica.
“Todavía sabemos muy poco sobre cómo los atacantes reales utilizan los troyanos de hardware”, explica Georg Sigl. “Para desarrollar medidas de protección, tenemos que pensar como un atacante y tratar de desarrollar y ocultar nuestros propios troyanos. Por lo tanto, en nuestro chip post-cuántico hemos desarrollado e instalado cuatro troyanos de hardware, cada uno de los cuales funciona de una manera completamente diferente”.
Chip para probar y luego desmontar
Durante los próximos meses, el profesor Sigl y su equipo probarán intensamente las capacidades y la funcionalidad de criptografía del chip y la detectabilidad de los troyanos de hardware. Luego, el chip será destruido, con fines de investigación. En un proceso complejo, las rutas del circuito se recortarán gradualmente mientras se fotografían cada capa sucesiva. El objetivo es probar nuevos métodos de aprendizaje automático desarrollados en la cátedra del profesor Sigl para reconstruir las funciones precisas de los chips incluso cuando no hay documentación disponible. “Estas reconstrucciones pueden ayudar a detectar los componentes del chip que realizan funciones no relacionadas con las tareas reales del chip y que pueden haber sido introducidas de contrabando en el diseño”, dice Georg Sigl. “Procesos como el nuestro podrían convertirse en el estándar para tomar muestras aleatorias en grandes pedidos de chips. Combinado con una criptografía poscuántica eficaz, esto podría ayudarnos a hacer que el hardware sea más seguro, tanto en instalaciones industriales como en automóviles”.
Fuente: Tech Xplore.
