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SOC和MCU的HSM方案梳理

发布：suzuki 来源：

PostTime：4-5-2024 17:57

SOC和MCU目前，汽车芯片细分市场中占比最大的是MCU，大约30%。MCU（Micro Controller Unit），又称单片机，是一种集成了 CPU、存储器（ROM/RAM）、A\D转换、I\O、DMA及Timer ... ...

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SOC和MCU

目前，汽车芯片细分市场中占比最大的是MCU，大约30%。
MCU（Micro Controller Unit），又称单片机，是一种集成了 CPU、存储器（ROM/RAM）、A\D转换、I\O、DMA及Timer等多种功能模块的微型计算机。

一般来讲，MCU由于主频、内部资源限制，只能完成功能有限的任务，因此以前我们发现一台车会有上百个ECU来实现不同功能。

随着智能汽车的飞速发展，自动驾驶、智能座舱、车载以太网等大算力需求催生出了更先进更高级的半导体需求，SOC随着登上历史舞台。
SOC(System On Chip)：系统级芯片，它将CPU、GPU、FPGA、ASIC、AI加速器、ISP等融合，实现汽车上的大算力应用。下图为SOC：TDA4AH的系统框架。

这款异构芯片包括了性能核Cortex-A7)、控制核Cortex-R5F、DSP、GPU、视频加速器、视觉预处理加速器等处理器IP，可实现AI加速、视频处理渲染等功能，可以看到，SOC在功能上是有特定集成思路的，例如IP核、加速器选择上，自动驾驶芯片与座舱SOC有明显区别。
因此，个人理解：

SOC重点在于“系统”二字，是为了某种应用场景设计的集成解决方案，因此它可以非常复杂，算力要求也很高。
MCU重点在于“控制”二字，控制对象随机，但精度和实时性要求很高，更为通用；例如TC3xx既可以做VCU，也可以做One-Box，还可以做智驾的功能安全岛。
SOC和MCU在内核上性能和场景使用上也有巨大差异，以ARM 内核为例：
A核：适用高性能运行场景，2023年开始A核都只支持64位；
M核：MCU最常见的内核，如M4\M7，适用于RTOS、功耗要求高等场景，常用在32位MCU上；
R核：实时内核，常见于对实时性要求严格的场景，如电机控制、转向制动控制等；由于R核还支持虚拟化等，因此现在跨域融合MCU也都纷纷选用此类内核。

MCU的HSM概述

如果我们把HSM当成黑盒子，只用它的相关功能就好了；但实际上从成本和场景出发，信息安全解决方案是需要客制化的；例如，某些控制件只需要支持SecOC和少量的密钥存储，那么SHE就完全可以满足要求，上HSM价格更贵且浪费了，这对成本敏感的OEM是不可接受的。
我们来看看目前MCU大厂的HSM方案，以U2A、S32K3、TC3xx为例。
S32K3信息安全架构如下：

S32K3 HSE满足Evita Full，支持AES、SHA、RSA、ECC、RNG等算法，在内部包含Secure Code\Data Flash；它与Host之间通过MessageUnit进行数据交互，如下：

在上述MU里包含4个通道，最高可同时支持4个通道的主机任务请求。
U2A和TC3xx的HSM方案较为相近，示意图如下：

Host与HSM之间通过控制寄存器和通信寄存器进行指令和信息交互，也可通过寄存器触发HSM的mailbox中断，从而提升任务的处理效率。
在多任务处理方面，U2A设计了基于CPU的信号量控制寄存器，用于多Host CPU与HSM CPU的数据、信号同步。
值得注意的是，在MCU的HSM方案里，由于Host和Hsm通信方式一般为寄存器，所能传递的数据量有限，因此二者在数据交互时常常会使用到寄存器+共享内存组合方式，通过寄存器触发任务请求，通过共享内部传递数据。
原理如下：

对比发现，其实这几家方案上差别并不大，主要是在具体加速器的性能、所支持的算法等体现差异，当然成本也不一样。

SOC的HSM概述

HSM这类成熟的IP在MCU和SOC上差异不大，但是为什么要单独提出来呢？主要是针对应用场景。
SOC的HSM要为自动驾驶、智能座舱等系统服务，包括传感器、OS、通信等各方面的安全，同时还要兼顾虚拟化、跨操作系统等方面的应用，因此，在SOC的HSM硬件设计会有不同之处。
以安谋科技的山海SPU为例，其子系统如下：

除了常见的国际通用算法，还支持国密算法SM2\3\4。
HSM与Host通过Mailbox进行交互，Mailbox内部有可配置的FIFO深度，搭配基于对称和摘要的DMA，可实现数据高速交互；由于FIFO对软件不可见，且不使用共享内存，因此这种通信方式更为安全。
此外，为了应对SOC的虚拟化要求，该HSM IP支持最多16个虚拟机同时访问，即在Mailbox里有16个FIFO以及16套通信寄存器可供主机使用，示意图如下：

为了实现16个VM并行访问，还需要在加密引擎中设计一套硬件机制用于缓存这类访问，因为加速器实例通常有限，所以就有竞争和仲裁；如果硬件能够基于某种规则自动仲裁上述VM的访问优先级，就能够极大减轻HSM 内核的负载，提升处理效率。
我们再来看看新思针对汽车自动驾驶SOC设计的tRoot HSM：

该IP同样包含常见国际通用算法，同时提供硬件冗余、寄存器EDC、memory ECC、看门狗等保证了在HSM IP的功能安全机制。
此外，tRoot HSM提供常见的安全启动、安全调试、密钥管理等功能，提供具备侧信道防护能力的HSM CPU、保护汽车中的敏感信息和数据处理。

小结

可以看到在MCU和SOC的HSM硬件设计中是基于应用场景的思考。
此外，在SOC的设计中，现在看到越来越多HSM+TEE融合的方案。
TEE可信执行环境除了提供HSM功能，也提供了安全通信、密钥证书管理、设备认证等扩展功能。设备认证主要确认零部件设备是否合法，同时也可提供用于安全审计的安全时间功能。除此之外，考虑车载的安全需求多样化，也支持用户定制化服务，可在TEE开发定制安全应用TA，用于解决REE侧的个性化安全需求。

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