一种基于动态背栅偏置的Rowhammer攻击防御方法及DRAM存储芯片与流程

本发明涉及dram存储器，尤其涉及一种基于动态背栅偏置的rowhammer攻击防御方法及dram存储芯片。

背景技术：

1、随着动态随机存取存储器（dram）制造工艺不断微缩，存储单元密度持续提升，由电路级物理效应引发的安全性问题日益凸显。其中，rowhammer效应已成为现代dram面临的最严重的安全威胁之一。rowhammer效应是dram存储器在工艺缩放过程中出现的物理可靠性问题，也是首个被发现的因电路级失效机制引发系统性安全漏洞的案例。该现象最早由kim等人在2014年的isca会议上系统阐述，随后google project zero团队证实，用户态程序可利用这一硬件现象获取内核特权，引发了工业界和学术界的高度关注。

2、rowhammer效应的物理机理如下：当对dram阵列中的某一行（称为“攻击行”，aggressor row）进行高频率的激活（activate）操作时，由于寄生电容耦合、电荷泄漏以及字线间的电磁干扰，会导致相邻行（称为“受害行”，victim row）存储单元的电荷发生非预期变化。当这种干扰累积到一定程度，就会造成存储单元的数据位翻转（bit flip），即逻辑“0”变为“1”或“1”变为“0”。

3、随着dram制造工艺的不断微缩，rowhammer问题日益严峻。对超过1500颗覆盖六代工艺的dram芯片的特征研究表明，新一代dram芯片比旧芯片更容易受到rowhammer攻击。更值得关注的是，新发现的rowpress效应进一步加剧了这一问题，通过延长行的开放时间，可以在激活次数减少100倍的情况下仍引发位翻转。

4、rowhammer攻击的安全威主要包括: 特权提升，用户态程序利用rowhammer修改页表项，获取内核权限；浏览器逃逸，通过javascript发起的rowhammer攻击突破浏览器沙盒；移动设备攻陷，在android等移动平台上实现权限提升；云环境攻击，跨虚拟机实施rowhammer攻击；远程攻击，通过网络远程触发rowhammer效应；神经网络破坏，攻击深度神经网络的预测能力。

5、为深入理解现有防御方案，首先需要明确dram的基本架构：

6、逻辑组织：dram芯片划分为多个bank，每个bank包含多个子阵列（sub-array），子阵列由多个存储单元阵列（mat）按行列排列构成。每一行由一系列存储单元（每个单元包含一个晶体管和一个电容）组成，通过字线（wordline）选择。

7、操作时序：内存控制器通过发送activate（act）命令激活指定bank中的某一行，将整行数据读出到感测放大器（sense amplifiers）中，形成行缓冲（row buffer）。随后可发送read/write命令访问该行中的指定列。完成访问后，需要发送precharge命令关闭该行，将数据写回存储单元。

8、刷新机制：由于dram电容会随时间泄漏电荷，需要定期刷新。刷新操作本质上是先激活再预充电，但刷新周期（典型的tref为64ms）远大于rowhammer攻击所需的时间窗口。

9、根据防御机制的层级和实施位置，现有rowhammer防御方案主要分为两大类：刷新类方案（以trr/prac为代表）和追踪节流类方案（以blockhammer/mint为代表）。

10、刷新类方案：标行刷新（trr）、每行激活计数（prac）、rega和自适应刷新频率调制方案（marc）。trr是目前ddr4时代广泛采用的工业界标准防御方案，完全在dram芯片内部实现。其核心原理是：dram芯片内部追踪潜在的攻击行，当检测到某行被频繁激活时，主动向其相邻的潜在受害行发出预防性刷新命令。

11、prac是ddr5标准中引入的最新一代硬件防御方案，旨在弥补trr的安全漏洞。prac在dram芯片内部为每一行配备一个内联计数器，精确记录每一行的激活次数。学术界已提出practical等优化方案，试图在保持安全性的前提下将性能提升8%、能耗降低19%，但仍未解决响应时间窗口的根本问题。

12、rega（refresh-generating activation）是2023年ieee symposium on securityand privacy上提出的新型dram内部机制。主要原理是在dram子阵列中引入第二套低开销的缓冲感测放大器，专用于数据传输；将原始感测放大器解放出来，用于在行激活期间并行执行其他行的刷新操作；由于行激活是rowhammer的唯一诱因，这种并行刷新机制在面临攻击时自动提供更多刷新机会。

13、marc是kaist和sk海力士于2025年提出的自适应rfm（refresh management）方案。工作原理：发现激活命令周期trc与rowhammer攻击可能性存在强相关性；根据攻击环境严重程度动态调整rfm（refresh management）频率。

14、追踪节流类方案：blockhammer、mint与dapper。此类方案主要在内存控制器侧实现，通过追踪行激活速率并实施访问限流来防止rowhammer发生。

15、blockhammer是学术界提出的基于布隆过滤器的行激活速率追踪方案。主要工作原理：在内存控制器中采用面积高效的布隆过滤器（bloom filters）追踪每一行的激活速率；当检测到某行激活速率超过安全阈值时，选择性地对该行的访问进行节流；确保任何行的激活速率始终低于引发位翻转的物理阈值。

16、mint是2024年micro会议上提出的极低开销dram内部追踪器方案。主要工作原理：基于“如果每次刷新只能缓解一行，那么理想情况下只需追踪一行”的观察；采用概率性决策机制，在每次刷新时决定下一个刷新周期内哪次激活将被选中进行缓解；仅需单个条目即可提供安全防护。

17、dapper是2025年提出的面向性能攻击（perf-attack）弹性的追踪器方案。工作原理：采用安全哈希机制防止攻击者预测共享结构的映射；引入双重哈希、新型重置策略和缓解性刷新技术；抵御rowhammer的同时防止攻击者通过恶意访问耗尽dram带宽。

18、物理层面的防御方式：zhou等人从物理优化方面入手，研究了亚20nm（sub-20 nm）dram 中双侧面锤效应的物理机制，提出共同优化调整 bl（bit line）结深度、sn（source/drain）结深度、金属栅极工作函数、几何参数等关键工艺参数来抑制双侧面锤效应的策略，通过物理设计优化对双侧面锤效应进行优化。物理机制入手能够从源头上缓解问题，但是在进行物理优化时，可能需要在不同的性能参数之间做出权衡，比如在提高存储器的可靠性的同时可能会牺牲一些性能。

19、rowhammer攻击的本质是通过对特定内存行在短时间内进行频繁访问（“敲击”）引起的，是dram设计缺陷。这种敲击导致被攻击行与其物理相邻的内存行之间产生电磁干扰（耦合），使受害者行中存储单元的数据损坏，数据损坏一般表现为存储位的翻转。目前技术具有以下缺点：

20、第一，均为反应式防御，存在固有响应窗口。所有方案均采用“检测-响应”模式：先检测到潜在攻击行为，再触发刷新或限流操作。从检测完成到防护生效之间，存在一个物理时间窗口，攻击者仍有可能在这个窗口期内对受害行造成不可逆损伤。

21、第二，性能与安全性难以兼顾。为保障在最恶劣工况下的安全性，阈值必须设置得非常保守，导致大量不必要的退避刷新操作，显著增加内存访问延迟。prac在低阈值下的性能损失可达23.9%。

22、第三，静态器件加固方案因功耗代价而不可行。理论上，静态施加负体偏置可提高晶体管阈值电压，增强抗干扰能力。但这种方法会导致持续漏电流大幅增加、开关速度下降，功耗和性能代价使其无法在实际产品中应用。

23、第四，缺乏按需启用的物理层加固手段。现有方案均在逻辑层面（计数、刷新、节流）进行干预，未能从物理层面临时增强存储单元的本征抗扰能力。一旦攻击速率超过逻辑防御的响应能力，位翻转仍可能发生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于动态背栅偏置的rowhammer攻击防御方法及dram存储芯片。实现以下发明目的：第一，打破反应式防御的固有模式，提供一种攻击前物理加固的防御机制，在攻击造成实质性损伤之前，从器件层面对潜在受害行进行按需加固，从根本上消除响应窗口。第二，实现按需启用的器件层防护，仅在检测到潜在攻击时，瞬时开启负背栅偏置，临时提升受害行的阈值电压；平时无偏置，保持最佳性能与最低功耗，解决静态加固不可行的困境。第三，从根本上解除性能与安全的权衡，通过物理层面的动态加固，大幅提升存储单元的抗干扰能力，使上层防御（如prac）可采用更高的阈值，减少不必要的退避刷新操作，在确保安全的同时降低性能开销。第四，构建系统-器件协同的纵深防御体系，将系统层的攻击检测与器件层的物理加固相结合，实现检测器识别威胁、执行器瞬时加固的闭环控制，为rowhammer问题提供一种高性能、低功耗、高安全性的根本性解决方案。第五，构建多层级防护体系应对远距离传播攻击，针对half-double等远距离传播攻击模式，提供一种阶梯式延迟开启的背栅偏置方案，根据攻击行与受害行的距离分级、分时施加防护，在确保全面防御的同时优化功耗。第六，实现温度自适应的智能防护。

2、通过片上温度感知和动态参数调整，使防护强度与芯片实际工作环境相匹配，在高温时增强防护确保安全，在低温时降低开销提升性能，实现全温度范围的最优平衡。通过为dram每一行集成独立的背栅控制结构，在检测到rowhammer攻击时，动态地为受害行瞬时施加负背栅偏置电压，从物理层面按需增强其抗干扰能力，从而在极低功耗和性能开销下实现精准、前置的硬件防御。

3、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明第一方面提供：一种基于动态背栅偏置的rowhammer攻击防御方法，用于动态随机存取存储器dram，包括以下步骤：

4、攻击监测阶段：对动态随机存取存储器dram的存储阵列中各内存物理行的行激活操作进行计数监测，以识别出在单位时间内被激活次数超过激活频率阈值的攻击行；

5、动态防护触发阶段：当识别出攻击行时，基于攻击行的位置信息，确定一个或多个受害行，并向受害行的存储单元晶体管施加动态可调的负背栅偏置电压，从而提升受害行的阈值电压来增强受害行对由攻击行频繁激活引起的电荷干扰的抗干扰能力；

6、条件化恢复阶段：在启动对受害行的背栅偏置防护后，持续监测攻击行的活动状态，并在满足预设的偏置撤销条件时，撤销对受害行施加的负背栅偏置电压，使其恢复至正常工作状态。

7、优选的，所述的攻击监测阶段还包括以下步骤：

8、为存储阵列中的每一内存物理行设置计数器，用于累计内存物理行的激活次数；

9、根据当前工作温度动态设置激活频率阈值；

10、将任一内存物理行的计数器值与激活频率阈值进行比较，以判断被比较行是否为攻击行。

11、优选的，所述的激活频率阈值根据动态随机存取存储器dram的当前工作温度进行温度补偿，当前工作温度越高，激活频率阈值的取值越低，从而匹配动态随机存取存储器dram在不同温度下的电荷泄露特性。

12、优选的，所述的受害行根据攻击行的物理地址确定，包括与攻击行相邻的至少一个直接相邻行。

13、优选的，所述的受害行根据攻击行的物理地址确定，包括与攻击行非直接相邻的至少一个间接相邻行。

14、优选的，所述的动态防护触发阶段中，根据受害行与攻击行之间的物理距离层级，为不同层级的受害行动态配置不同幅度的负背栅偏置电压，距离攻击行越近的受害行，所施加的负背栅偏置电压的绝对值越大。

15、优选的，所述的负背栅偏置电压还根据动态随机存取存储器dram的当前工作温度进行动态调节，当前工作温度越高，所述负背栅偏置电压的绝对值越大。

16、优选的，所述的条件化恢复阶段还包括以下步骤：

17、在向受害行施加负背栅偏置电压的同时，启动定时器；

18、若在定时器达到预设时长前，再次监测到攻击行被激活，则重置定时器并维持负背栅偏置电压；

19、若定时器达到所述预设时长，则判定满足偏置撤销条件，撤销负背栅偏置电压，并将攻击行对应的激活计数清零。

20、本发明第二方面提供：一种dram存储芯片，用于实现上述任一种基于动态背栅偏置的rowhammer攻击防御方法，包括：

21、存储阵列，包含呈行列排布的多个存储单元；

22、攻击检测模块，用于对各内存物理行的激活操作进行计数，并在判定存在攻击行时输出触发信号及攻击行的地址信息；

23、受害行定位模块，连接攻击检测模块，用于根据攻击行的地址信息，计算并输出一个或多个受害行的地址信息；

24、背栅偏置控制模块，连接攻击检测模块、受害行定位模块和存储阵列中各存储单元的背栅端；

25、所述背栅偏置控制模块接收到触发信号时，根据受害行的地址信息生成相应的偏置控制信号，根据偏置控制信号对不同受害行施加不同的负背栅偏置电压，并在满足预设恢复条件时，撤销负背栅偏置电压。

26、优选的，还包括温度传感模块，所述温度传感模块连接攻击检测模块和/或背栅偏置控制模块，用于根据检测到的当前工作温度动态调整攻击行判定阈值和/或负背栅偏置电压的幅度。

27、本发明的有益效果是：

28、1）本发明在攻击行激活次数达到阈值时，瞬时为潜在受害行开启负背栅偏置，从物理层面提升其抗干扰能力。现有技术（如prac、trr）均为反应式防御，从检测到攻击到执行刷新之间存在不可避免的时间窗口，攻击者可能在此窗口内完成位翻转。本发明在检测到攻击的同时即完成物理加固，将防护动作前置，使受害行在受到实质性损伤前就具备高抗扰性，从根本上消除了响应窗口，即使攻击速率极高也无法突破。安全性显著优于现有任何基于刷新或节流的方案。

29、2）本发明通过动态背栅偏置大幅提升了存储单元的本征抗扰能力，使dram可以容忍更高次数的行激活而不发生位翻转。现有技术为保障在最恶劣工况下的安全，必须设置保守的刷新阈值（如128次），导致大量正常负载也触发退避刷新，造成高达23.9%的性能损失。本发明的物理加固使临界阈值可提升数倍，因此系统可将检测阈值相应提高（如从128次提升至512次甚至更多），从而大幅减少不必要的刷新操作，降低内存访问延迟。在同等安全等级下，本发明可带来显著的性能收益。

30、3）背栅偏置仅在检测到攻击时动态开启，攻击停止后自动撤销；平时所有行处于零偏置状态。若采用静态负体偏置持续加固所有行，虽能提升抗扰性，但会导致晶体管漏电流激增，静态功耗大幅上升。本发明通过按需启用，仅在极短暂的时间窗口内（微秒级）为少量行施加偏置，平均功耗几乎无增加；同时，由于减少了退避刷新次数，动态功耗也随之降低。实现了“用时加固，闲时省电”的最优功耗模式。

31、4）多层级电压偏置方案为不同距离的受害行分配不同幅度的负偏置电压（相邻行最强，次相邻行次之，再次相邻行较弱）。half-double攻击利用电荷在行间的“跳跃”传播，可对距离2-3行的存储单元造成累积损伤。现有技术仅关注直接相邻行，对此类攻击防御不足。本发明的多层级防护匹配了电荷扰动随距离衰减的物理规律，以适当的强度加固每一层潜在受害行，从而全面覆盖远距离传播威胁。防御范围从直接相邻行扩展至次相邻及更远行，有效应对新型攻击变种。

32、5）集成温度传感器，根据芯片工作温度动态调整偏置电压幅度和检测阈值（高温时加强防护，低温时降低开销）。dram电荷泄漏速率随温度升高而加快，rowhammer阈值降低。若采用固定参数，高温时可能防护不足，低温时则过度防护造成浪费。本发明通过温度自适应调节，使防护强度与实时威胁水平相匹配：高温自动增强，确保安全；低温自动减弱，节省功耗并提升性能。在全温度范围内实现安全与效率的动态最优平衡。

33、6）攻击行检测器可采用现有prac计数器或布隆过滤器，与ddr5标准兼容；背栅偏置执行器作为片上增量模块集成。本发明并非推倒重来的全新设计，而是在现有dram架构上的增强。攻击检测部分可复用成熟ip，仅需增加背栅偏置执行器和偏置控制器，以及必要的阱隔离结构。对于已采用深n阱或三阱工艺的代工厂，实现行级独立体偏置的增量成本可控。与现有工艺和标准兼容，具备良好的产业化和升级路径。

34、7）本发明构建了“系统层检测 → 器件层加固 → 系统层退出”的闭环控制。单一层次的防御总有局限：系统层受限于响应速度，器件层静态加固代价高。本发明将两者结合，检测器指挥加固，加固器弥补检测窗口，形成互补增强的纵深防御体系。即便检测器被罕见攻击模式欺骗，物理加固层仍能提供最后一道屏障。实现了1+1>2的协同防护效果。