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Exploring Side-Channel Protections in Hardware Implementations of PQC ML-KEM Verification

本文表明，尽管基于 FPGA 的 ML-KEM 实现提供了卓越的速度和并行性，但它们仍然极易受到侧信道攻击的影响，其中即使是更高阶的掩码验证方案也会由于固有的硬件级效应而泄露足够的信息，从而导致能够实现全密钥恢复。

原作者： Davis Ranney, Yashaswini I Makaram, A. Adam Ding, Yunsi Fei

发布于 2026-07-01

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原作者： Davis Ranney, Yashaswini I Makaram, A. Adam Ding, Yunsi Fei

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

大局观：锁上数字大门

想象一下，ML-KEM 是一把全新的、超级坚固的数字锁，旨在保护你的秘密，即使面对未来那些极其强大的“量子”计算机也依然安全。为了让这把锁发挥作用，它有一个特定的步骤叫做 FO 验证（FO Verification）。你可以把这一步想象成一名保安在检查访客的身份证。保安根据访客提供的信息重新制作一张身份证，然后将其与原件进行对比。如果两者完全吻われます，门就会打开。如果不对，保安就会扔掉钥匙，并给你一张随机的废纸（以此防止黑客猜中正确答案）。

问题在于，这个保安会留下“脚印”。通过观察保安在检查身份证时消耗了多少电量或发出了多少磁波，黑客可以判断出身份证是否匹配。如果黑客能分辨出“匹配”与“不匹配”之间的区别，他们最终就能诱骗保安交出整栋建筑的主钥匙。

实验：微控制器 vs. 超级工厂

研究人员想要观察，将这个“保安”构建在微控制器（许多设备中常见的标准小型计算机芯片）上，与构建在 FPGA（常用于高速、重型任务的可重构芯片）上有什么不同。

微控制器 就像一个在办公桌前小心工作的单人办事员。他们逐字节地、一个接一个地检查身份证。
FPGA 则像是一个拥有数百名工人同时检查身份证的大型工厂。它速度极快，但研究人员怀疑，这么多工人在同一时间移动可能会产生更响、更明显的“噪音”，从而被黑客听见。

他们测试了三种不同的保护保安的方法：

无保护： 保安直接检查身份证。
基于哈希的保护（一阶保护）： 在检查之前，保安先将身份证粉碎成一个独特的“指纹”（哈希），然后比较这些指纹。
高阶掩码（High-Order Masking）： 保安将身份证拆分为几个随机的部分（份额/shares），分别检查这些部分，然后再重新组合结果。这旨在让人们无法得知原始身份证的内容。

研究结果：速度 vs. 安全

1. 无保护的保安（“无保护”测试）

微控制器： 办事员工作得很安静。由于“脚迹”（功耗）带有一些噪音，黑客很难分辨身份证是否匹配。黑客猜对的概率约为 95%。
FPGA： 工厂里的工人非常吵闹。当研究人员增加工人数量（并行处理）以同时检查更多部分的身份证时，这些“脚印”变得异常清晰。
- 当团队规模较小（32位）时，仍然很难听清。
- 当团队规模较大（512位）时，噪音变得极其清晰，以至于黑客能 100% 确定身份证是否匹配。
教训： FPGA 的运行速度越快、并行度越高，保安留下的脚印就越响亮，使得黑客更容易窃取密钥。

2. 粉碎后的身份证（“基于哈希”测试）

核心思想： 不直接比较身份证，而是先将它们粉碎成哈希（数字指纹）。其原理是，即使身份证发生微小的变化，也会产生完全不同的指纹，从而隐藏比较过程。
结果： 研究人员尝试通过“打乱”工厂工人处理哈希的顺序来迷惑黑客。
失败原因： 这不起作用。尽管顺序被打乱了，但工厂里的工人依然按照某种模式运动，留下了独特的特征信号。研究人员可以轻易识别出顺序，并依然能判断身份证是否匹配。黑客的成功率达到了 94.7%。
类比： 这就像试图通过粉碎文件并按随机顺序重新组装来隐藏秘密。如果你盯着碎纸机看，你仍然可以分辨出哪些碎片来自“匹配”堆，哪些来自“不匹配”堆。

3. 拆分的身份证（“高阶掩码”测试）

核心思想： 这是最先进的保护方法。身份证被拆分为随机的部分，工人分别检查这些部分，因此没有任何单个工人知道完整的秘密。
微控制器： 效果很好。单个办事员无法泄露足够的信息让黑客猜出密钥。
FPGA： 表现得极其糟糕。因为工厂里有大量工人在同一时刻检查这些碎片，所有这些工人产生的综合噪音暴露了秘密。他们添加的工人（份额）越多，信号就变得越“响”。
结果： 黑客可以以 98.5% 的概率猜中匹配状态。
类比： 想象一下试图通过同时向 100 个人低声耳语来传递秘密。在一个安静的办公桌旁（微控制器），只有一个人能听到，所以是安全的。但在一个嘈ill的工厂里（FPGA），100 个人同时低语产生的嘈杂声实际上比单个人的耳语更容易被听见。

结论

论文得出结论：虽然 FPGA 在实现快速方面表现卓越，但目前它们在保护这些特定秘密方面表现得很差。

FPGA 的“速度”来自于同时做很多事情（并行性）。不幸的是，同时做很多事情会产生一个同步的巨大信号，这就像是为黑客设置了一个信标。那些在标准、缓慢的芯片（如微控制器）上有效的保护方法，在尝试将其加速到 FPGA 上时失效了。

底线是： 你不能直接把为一个慢速单车道设计的安全计划，直接搬到一个 50 车道的超级高速公路上。交通（并行性）会产生一种旧的安全计划并未考虑到的新型噪音。为了在快速硬件上保护这些新的量子锁，我们需要全新的、定制化的防御手段。