引言

近日，国家互联网信息办公室约谈英伟达公司，要求其就对华销售的H20算力芯片中可能存在的"追踪定位"和"远程关闭"功能等安全风险问题作出说明。此次约谈的背景是美国议员此前呼吁要求美国出口的先进芯片必须配备"追踪定位"功能，而美国人工智能领域专家已透露英伟达算力芯片的相关技术已经成熟。

由于缺少英伟达H20具体的硬件后门分析，本报告将从历史硬件类后门入手深入分析硬件后门的技术实现机制，回顾历史上的重大芯片后门事件，并探讨英伟达H20芯片可能采用的后门技术路径，为理解当前事件提供技术视角。

硬件后门的基本构成与技术原理

硬件后门（Hardware Backdoor）是一种被故意植入到硬件设备中的恶意电路或代码，它允许攻击者绕过正常的安全机制，获取对设备的未授权访问。从技术角度看，硬件后门通常由两个核心部分组成：触发机制（Trigger）和载荷（Payload）。

触发机制分类

硬件后门的触发机制主要分为三类：

  1. 组合逻辑触发：需要特定的输入组合才能激活后门。这种触发机制通常设计为在正常操作中几乎不可能出现的输入模式，使得在常规测试中难以被发现。

  2. 时序逻辑触发：基于内部计数器或状态机，需要特定的时序序列才能激活。例如，只有当某个计数器达到特定值时，后门才会被触发。这种机制可以设定延迟激活时间，确保后门在部署后才被触发。

  3. 物理条件触发：依赖温度、电压等物理条件变化来激活后门。这种触发机制在实验室环境中几乎不可能被重现，因此极难被检测。

载荷功能分类

硬件后门的载荷功能主要分为三类：

  1. 信息泄露：通过隐蔽信道传输敏感数据，如加密密钥、用户凭证等。

  2. 功能篡改：在特定条件下改变芯片功能，如削弱加密强度、修改权限控制等。

  3. 拒绝服务：降低系统性能或使系统完全崩溃，如触发断电、重启或功能降级。

通信方式

硬件后门的通信方式多种多样，主要包括：

  1. 功耗侧信道：通过改变芯片功耗模式传输数据。

  2. 电磁辐射：利用芯片产生的电磁信号传输数据。

  3. 时序侧信道：通过操作时间的微小变化编码信息。

这些通信方式都具有很强的隐蔽性，难以被常规安全检测手段发现。

历史重大硬件后门案例技术分析

A2模拟硬件木马

A2是一种在芯片制造阶段植入的模拟硬件后门，由密歇根大学研究人员于2016年提出。这种后门利用模拟电路特性，通过电容从邻近的信号线"虹吸"电荷，当电荷积累到预设阈值时，触发攻击行为。

技术实现原理

A2木马的核心是一个电容充电电路，它连接到目标芯片中频繁切换的信号线上。每当信号线发生状态转换时，电容就会积累少量电荷。当电容充电达到阈值电压时，触发电路激活，执行预设的恶意功能。

这种设计的巧妙之处在于：

  • 电路规模极小，仅需一个晶体管和一个电容

  • 不需要复杂的数字逻辑电路，难以通过常规的电路分析发现

  • 可以设计为在特定条件（如温度、电压）下才能有效充电，增加隐蔽性

攻击效果

A2木马被设计用来修改处理器中的特权级控制位。当木马被触发时，它会强制将某个关键的权限控制位翻转，从而允许普通用户程序获得系统级权限，实现特权提升攻击。

这种攻击的危害性极大，因为它能绕过所有软件级别的安全机制，包括操作系统的权限控制和安全软件的防护。

Trust-Hub基准木马电路

Trust-Hub是一个由学术界维护的硬件安全基准测试平台，其中包含多种标准化的硬件木马设计，用于研究硬件安全技术。

RS232-T100木马分析

RS232-T100是Trust-Hub中的一个典型木马电路，设计用于攻击串行通信接口。其触发机制基于一个18位的计数器，只有当计数器达到特定值时，木马才会被激活。

具体来说，RS232-T100的触发概率是1/262144，这意味着在正常通信中几乎不可能被意外触发。这种极低的触发概率使得常规功能测试很难发现此类后门。

当木马被触发后，它会修改串行通信数据，导致数据泄露或通信错误。由于RS232接口广泛应用于工业控制、医疗设备等关键领域，这种攻击可能造成严重后果。

检测难度

Trust-Hub基准木马的检测难度主要来自以下几个方面：

  • 触发条件极为罕见，常规测试无法覆盖

  • 木马电路与正常电路高度集成，难以区分

  • 木马功能可能只影响系统的非关键部分，不易被察觉

研究表明，即使使用先进的机器学习方法，对这些木马的检测准确率也难以达到100%。

英特尔管理引擎（ME）后门

英特尔管理引擎（Intel Management Engine，ME）是一个嵌入在英特尔芯片组上的独立微控制器，自2008年起被集成到几乎所有的英特尔CPU中。

Ring -3特权级架构

ME的最大特点是它拥有"Ring -3"特权级，这是一个比操作系统内核（Ring 0）更底层的权限级别。这意味着ME可以在主CPU和操作系统不知情的情况下，访问系统内存、网络接口和其他硬件资源。

ME在系统初始化时从系统闪存中加载其代码，这允许ME在主操作系统启动之前就开始运行，并且可以访问受保护的系统内存区域。

HAP位后门开关

2017年，俄罗斯安全公司Positive Technologies的研究人员在ME固件中发现了一个名为"reserve_hap"的隐藏位，该位被描述为"High Assurance Platform (HAP) enable"。HAP是美国国家安全局（NSA）发起的一个构建安全计算平台的项目。研究表明，将这个HAP位设置为1可以禁用ME的功能。

这一发现的重要意义在于：NSA可能要求英特尔在ME中预留这个"后门开关"，以便在特定场景下关闭ME。而对于全球其他用户，ME默认是开启的，这构成了一个严重的安全隐患。

CVE-2017-5689漏洞利用

2017年，ME被发现存在高危漏洞CVE-2017-5689，攻击者可以通过设置登录参数中响应字段为空，实现绕过认证机制，直接登录系统，获得最高权限。这一漏洞进一步证明了ME作为一个潜在后门的危险性。

NSA针对网络设备的后门工具

JETPLOW固件植入技术

JETPLOW是NSA开发的一种固件持久化植入工具，专门针对思科PIX系列和ASA（自适应安全设备）防火墙。它的主要功能是在设备启动时修改思科防火墙的操作系统，确保NSA的BANANAGLEE后门软件能够持久存在。

JETPLOW的工作原理是在防火墙启动过程中修改其操作系统，使得即使设备重启或固件升级，后门依然存在。这种持久化技术确保了攻击者能够长期控制目标设备。

BANANAGLEE后门功能

BANANAGLEE是NSA开发的一种后门软件，由JETPLOW负责维持其持久性。它能够在思科防火墙上执行各种恶意操作，包括但不限于：

  1. 远程命令执行：允许攻击者在目标设备上执行任意命令

  2. 数据包嗅探：监控通过防火墙的网络流量

  3. 配置修改：更改防火墙的安全策略和配置

  4. 隐蔽通信：建立隐蔽通道与控制服务器通信

BENIGNCERTAIN攻击技术

BENIGNCERTAIN是NSA针对思科PIX防火墙开发的另一种攻击工具。它通过向目标设备发送畸形的互联网密钥交换（IKE）数据包，触发设备内存转储，从而窃取VPN密钥、RSA私钥等敏感信息。这种攻击方式不需要物理接触设备，可以远程执行，具有很高的隐蔽性和危险性。

英伟达H20芯片潜在后门技术实现可能性分析

"追踪定位"功能技术实现路径

PUF技术与芯片唯一标识

物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function，PUF）是一种硬件安全技术，它利用硅基半导体固有属性随机提取不可克隆的物理特征，类似生物指纹，是每块芯片唯一的身份标识符。

在H20芯片中，可能会利用PUF技术为每个芯片生成唯一的"数字指纹"。这种技术的实现难度不高，因为现代芯片制造过程中的微小差异本身就会导致每个芯片具有独特的电气特性。

位置信息获取与上报机制

对于位置信息的获取，H20芯片可能通过以下几种方式实现：

  1. 主机系统依赖：利用主机系统的网络连接获取位置信息（如IP地址地理位置、WiFi定位等）

  2. 内置微型通信模块：在芯片或封装基板上集成微型通信模块，如低功耗蓝牙、NFC或微型蜂窝网络模块

  3. 环境特征识别：通过分析周围电磁环境、网络延迟特征等推断地理位置

位置信息上报机制可能会采用隐蔽通信信道，如：

  1. 网络流量隐藏：将位置数据隐藏在正常网络流量中

  2. 功耗调制：通过调制芯片功耗模式传输数据

  3. 电磁辐射：利用芯片产生的电磁信号传输数据

这种技术与英特尔ME中的远程识别功能类似，但在实现上可能更加隐蔽和先进。

"远程关闭"功能技术实现路径

电源管理单元中的Kill Switch

H20芯片可能在电源管理单元（PMU）中植入"Kill Switch"电路。当接收到特定远程指令时，PMU可以执行以下操作：

  1. 完全断电：直接切断芯片核心电源

  2. 电压调整：将电压调整到不稳定区域，导致芯片功能异常

  3. 频率干扰：改变时钟频率，使芯片无法正常工作

这种技术与A2模拟木马的电路控制方式类似，但实现方式可能更加复杂和隐蔽。

固件引导程序修改

另一种可能的实现方式是修改H20芯片的固件引导程序。当芯片启动时，引导程序会检查特定条件（如地理位置信息、授权状态等），如果条件不满足，则可以：

  1. 拒绝启动：直接阻止芯片完成启动过程

  2. 功能降级：启动时禁用部分高级功能

  3. 性能限制：降低芯片运行频率或计算能力

这种方法类似于JETPLOW对思科防火墙引导过程的修改，但可能会采用更先进的加密和验证机制。

远程指令接收与验证机制

为了确保只有授权方能发出"远程关闭"指令，H20芯片可能会实现复杂的指令接收与验证机制：

  1. 加密通信：使用高强度加密算法保护通信内容

  2. 多因素验证：要求多个验证因素同时满足才执行指令

  3. 时间窗口限制：只在特定时间窗口接受指令

这种机制可以确保"远程关闭"功能不会被未授权方滥用，同时保持对授权方的响应能力。

"性能限制"功能技术实现路径

H20芯片可能通过动态频率/电压调整机制实现性能限制功能。这种机制可以根据地理位置或其他条件，动态调整芯片的运行参数，从而限制其性能。具体实现可能包括：

  1. DVFS控制器修改：修改动态电压频率调整控制器的行为

  2. 热管理机制利用：利用芯片热管理机制，人为降低性能上限

  3. 资源分配限制：限制特定计算资源的分配和使用

这种技术与AES芯片中的性能降级技术类似，但可能更加精细和难以检测。

技术对比与风险评估

英伟达H20与历史案例的技术相似性

英伟达H20芯片潜在后门与历史案例在技术实现上存在多个相似点：

  1. 固件级植入：与英特尔ME和思科路由器后门类似，H20可能在固件层面实现后门功能，确保持久性和隐蔽性

  2. 远程触发机制：类似于BANANAGLEE，H20可能实现远程触发机制，允许授权方在需要时激活后门

  3. 多层次防护：与NSA的攻击工具类似，H20可能采用多层次防护措施，确保后门不被轻易发现或利用

技术可行性评估

从技术角度看，在H20芯片中实现"追踪定位"和"远程关闭"功能是完全可行的：

  1. 芯片架构支持：现代GPU架构具有复杂的电源管理和固件系统，为实现后门提供了技术基础

  2. 制造过程控制：作为芯片设计和制造方，英伟达有能力在芯片设计阶段植入后门

  3. 技术成熟度：相关技术（如PUF、固件修改等）已经相当成熟，实现难度不高

检测与防御难度

H20芯片潜在后门的检测和防御难度极高：

  1. 闭源固件：GPU固件通常是闭源的，难以进行审计和分析

  2. 复杂架构：现代GPU架构极其复杂，包含数百万晶体管和复杂的功能模块，增加了检测难度

  3. 专业设备要求：检测硬件后门需要专业的设备和技术，超出一般用户和组织的能力范围

结论与建议

主要结论

基于对历史硬件后门案例的技术分析和对H20芯片的了解，我们得出以下主要结论：

  1. 从技术角度看，在H20芯片中实现"追踪定位"和"远程关闭"功能是完全可行的

  2. 这些功能可以通过固件修改、硬件电路设计或两者结合的方式实现

  3. 这些后门可以设计得非常隐蔽，难以通过常规方法检测

风险缓解建议

针对潜在的硬件后门风险，建议采取以下措施：

  1. 网络隔离：将使用H20芯片的系统置于严格隔离的网络环境中，限制其外部通信

  2. 流量监控：对H20芯片的网络流量进行深度监控和分析，检测异常通信模式

  3. 固件分析：对H20芯片的固件进行逆向分析，寻找可能的后门代码

  4. 多源供应：避免单一依赖特定供应商的芯片，分散风险

  5. 自主研发：加速国产GPU芯片的研发和应用，减少对外国技术的依赖

长期战略考量

从长远来看，应当：

  1. 建立芯片安全评估体系：构建针对进口芯片的全面安全评估体系

  2. 加强核心技术研发：加大对芯片设计、制造和测试技术的研发投入

  3. 推动国际规则制定：积极参与国际芯片安全标准和规则的制定，维护国家利益

通过这些措施，可以有效降低潜在硬件后门带来的安全风险，保障国家关键信息基础设施的安全。

参考文献

  1. 国家网信办就H20算力芯片漏洞后门安全风险约谈英伟达公司，中新网，2025年7月31日

  2. "棱镜门"事件相关报道，华强电子网，2013年6月

  3. 卫报记者：NSA在美国出口网络设备中植入后门，TechWeb，2014年5月

  4. 英特尔管理引擎相关安全研究，雪球，2024年10月

  5. 美国新法案：NVIDIA AI GPU必须内置位置追踪，中国电子企业协会，2025年5月

  6. 国安部发文提示：境外生产芯片可能故意留"后门"，央视网，2025年7月21日

  7. 物理不可克隆功能（PUF）技术研究，百度百科，2024年7月

  8. 手机一抢即锁，自动报警！苹果拟推出Kill Switch功能，Zaker，2025年6月

  9. 芯片硬件安全技术分析与防护措施，NCPSSD，2021年12月

  10. 思科/腾达等路由器被爆留后门：网络安全成焦点，电子发烧友，2014年4月

声明：本文来自奇安信威胁情报中心，版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点，不代表安全内参立场，转载目的在于传递更多信息。如有侵权，请联系 anquanneican@163.com。