Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sichere Elektronik für die digitalisierte und vernetzte Produktion

Der Trend hin zu fortschreitender Digitalisierung industrieller Produktionsanlagen bringt neue technische Herausforderungen mit sich. Bislang isolierte Geräte werden zunehmend miteinander vernetzt, was dazu führt, dass das Gesamtsystem von außen angreifbar wird. Gängige Sicherheitskonzepte wie verschlüsselte drahtlose Kommunikation oder die Sicherstellung der Geräteintegrität spielen für KMU eine immer größere Rolle bei der Entwicklung von Hardware- und Softwarelösungen. Das derzeit primäre Ziel ist dabei die Integration von softwarebasierten Security-Algorithmen, die zur Ver- und Entschlüsselung der Nutzdaten innerhalb eines vernetzten Systems eingesetzt werden. Die einzelnen Geräte verfügen i.d.R. über einen nichtvolatilen Speicher, der vom Gerätehersteller während des Produktionsprozesses mit einem einzigartigen digitalen Schlüssel beschrieben wird. Eine andere Möglichkeit bieten sog. Physical Unclonable Functions (PUFs), Hardwarestrukturen, deren unkontrollierbare herstellungsbedingte Variationen als physikalischer kryptografischer Schlüsselspeicher genutzt werden. Ein entscheidender Vorteil von PUFs ist deren Unvorhersagbarkeit der Schlüssel, da die resultierende Bitfolge auf den einzigartigen Merkmalen jeder einzelnen Geräteinstanz beruht. Darüber hinaus entfällt der Schritt der Speicherinitialisierung mit dem einzigartigen Schlüssel durch den Gerätehersteller, wodurch ein weiterer potentieller Angriffspunkt eliminiert werden kann. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, einen integrierten PUF-Baustein zu entwickeln und dieses KMUs zur Verfügung zu stellen. KMUs können diesen PUF-Baustein in ihre Hardwaredesigns integrieren und so vom höheren Sicherheitsstandard profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt SichEl haben sich die Hochschule Offenburg mit ihrem Institut für verlässliche Embedde-Systems und Kommunikationselektronik (ivESK) und das Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) das Ziel gesetzt, Maßnahmen zum Schutz von verteilten, autonomen Sensoren und Aktoren, die über das so genannte „Internet der Dinge“ bzw. „Internet of Things“ (IoT) miteinander kommunizieren, zu entwickeln. Hierzu zählen insbesondere Funktionen zum eindeutigen Identitätsnachweis, zur Verwendung von Schlüsselmaterialien zum Integritätsschutz einer auszuführenden Software und zur Verwendung von Schlüsselmaterialien zur sicheren, authentisierten, vertraulichen und integritätsgeschützten Kommunikation. Als Schlüsselspeicher wurden so genannte „Physical Unclonable Functions“ (PUFs) auf der Basis von elektronischen Bauelementen, die mit Standard-CMOS-Technologien ohne zusätzliche Prozessschritte hergestellt werden können, identifiziert. Die Hardware wurde auf der Basis eines 180 nm CMOS-Prozesses in eine integrierte Schaltung umgesetzt und durch einen Foundry-Service hergestellt. Der Baustein sollte in einer Beispielanwendung validiert und charakterisiert werden. Es zeigte sich jedoch, dass auf Grund der fehlerhaften Ansteuerung eines Funktionsblocks innerhalb der entwickelten integrierten Schaltung die gewünschten Funktionen nicht abgerufen werden konnten. In einem Redesign wurde dieser Fehler behoben, bei der Inbetriebnahme des neuen Bausteins wurde jedoch festgestellt, dass Teilfunktionen in Betrieb genommen werden konnten, der interne Speicher aber aus noch nicht bekannten Gründen nicht ausgelesen werden kann. Wegen der grundlegenden Bedeutung der Technologie wird außerhalb des Projekts “SichEl” weiter an einer Lösung des Problems gearbeitet.