ShadowBinding：面向原核安全推测方案的有效微体系结构
密码学与安全
2025-04-10 v1 硬件体系结构
摘要
安全推测方案在抵御推测侧信道攻击方面展现了巨大潜力，将是未来开发安全、高性能体系结构的关键构建模块。随着该领域的成熟，为评估安全方案并促进其未来采用，亟需严谨的微体系结构以及相应的性能和成本分析。在 ShadowBinding 中，我们为两种最先进的安全方案提供了有效的微体系结构，揭示并缓解了所分析方案中固有的微体系结构局限性，并提供了重要的设计特征。我们发现，基于改写的投机 taint 跟踪 (Speculative Taint Tracking, STT) 必须在单个周期内完成 taint 计算，形成代价高昂的依赖链，显著限制了更宽的处理器核心性能。我们还引入了一种新型微体系结构方法用于 STT，称为 STT-Issue，通过将 taint 计算延迟到 issue 阶段，消除了该依赖链，实现更好的每周期指令数 (IPC)、时序、面积和性能结果。通过对 STT 和非推测数据访问 (Non-Speculative Data Access, NDA) 微体系结构设计进行全面评估，我们发现原核安全方案的 IPC 影响比此前估计更大，对于最高性能核心约为 20%。结合我们从 RTL 评估中获得的时序见解，IPC 和时序的综合影响导致性能损失更大，分别为 STT-Rename、STT-Issue 和 NDA 造成 35%、27% 和 22% 的性能损失。若这些趋势适用于主流处理器核心设计，最佳方案的性能影响将超过 30%。
引用
@article{arxiv.2504.07018,
title = {ShadowBinding: Realizing Effective Microarchitectures for In-Core Secure Speculation Schemes},
author = {Amund Bergland Kvalsvik and Magnus Själander},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.07018},
year = {2025}
}