Forscher der Universität New York University Polytechnic School of Engineering, angeführt von Ramesh Karri – Professor für Electrical and Computer Engineering – haben ein spezielles Programm entwickelt, welches Prozessorkerne in kurzer Zeit abnutzt oder genauer gesagt beschädigt, so dass diese unbrauchbar werden und, infolgedessen eine Obsoleszenz beabsichtigt ist. Solch eine geplante Obsoleszenz könnte schwerwiegenden Einfluss auf die Computerindustrie haben. Dadurch könnten vor Allem die Hersteller solcher Hardware profitieren, denn der Produktlebensyzyklus eines Prozessorkernes würde sich rapide verkürzen, so dass Kunden nahezu gezwungen werden, sich immer neue Computer mit neuen Prozessoren anzuschaffen. Dass der Kunde hiervon profitieren soll, ist derzeit nur schwer vorstellbar. 

US-Forscher entwickeln Software, die Prozessorkerne rasend schnell altern lässt

Die entwickelte Software namens Magic (Malicious Ageing in Circuit/Cores) hat Einfluss auf die Effizienz der Prozessorkerne. Überdies lässt die Software die Hardware derart schnell altern, dass die Schaltkreise der Prozessorkerne nach nur wenigen Wochen durchbrennen und ihre Lebensspanne bereits erreicht haben. Für Menschen sind Alkohol, Drogen und Zucker schädlich und können den Lebenszyklus verkürzen. Dies kann hierbei als Analogie angeführt werden. Genau wie bei den genannten Beispielen gibt es bei Mikroprozessoren bestimmte Inputfaktoren, die nachteilig für den Produktlebensyzyklus sind und diesen erheblich verkürzen. Arun Karthik Kanuparthi, der an der Entwicklung dieser Software mitbeteiligt war, sagt darüber, dass die Software einen handelsüblichen Prozessor innerhalb eines Monats zum Versagen gebracht habe. Ferner würden sich Transistoren von negativen Inputs erholen, jedoch werde diese Erholungsphase mit Magic verhindert.

Die Funktionsweise von Magic

Die Software Magic setzt in der Exekutionsphase des Mikroprozessors an, in welcher bereits geladener Maschinencode ausgeführt wird. Nahezu alle modernen Prozessorkerne arbeiten nach dem “Divide and Conquer“-Prinzip. Die angeforderten Maschinenbefehle werden in mehrere Teilaufgaben unterteilt, welche parallel gerechnet und ausgeführt werden. Dies spart Ressourcen hinsichtlich Rechenkapazität und Rechendauer und steigert die Effizienz der Prozessorkerne. Die Resultate der Teilaufgaben werden daraufhin zu einem Gesamtergebnis zusammengefasst.

Die Software Magic nutzt nun die Schwachstellen der Prozessoren aus. Die am wenigsten performanten Bereiche werden einem einmonatigen Dauerstress ausgesetzt. Gleichzeitig bedeutet dies, dass die geplante Erholungsphase aufgrund des Dauerstress unterbunden wird und infolgedessen es zu einem Versagen der Transistoren innerhalb der Prozessoren kommt. Der Begriff hierfür lautet Negative-Bias Temperature Instability (NBTI). Um die Transistoren im Prozessor von Off auf On oder binär von Null auf Eins zu schalten, ist eine bestimmte Spannung notwendig. Diese wird mit fortschreitender Zeit immer höher. Aufgrunddessen kommt es zu Schaltlatenzen beziehungsweise -verzögerungen. Wenn diese die obere Grenze überschreiten, an der gerade noch die Latenzen vertretbar sind, versagt der gesamte Prozessorkern.

Der NBTI-Effekt ist kein Phänomen, das erst bei der Entwicklung der Magic-Software entdeckt worden wäre. Dieses Phänomen tritt auch bei normaler, alltäglicher Nutzung von Prozessoren auf. Bei solch angesprochener normaler Nutzung würde der Prozessorkern erst nach vielen Jahren unbrauchbar werden. Magic hingegen manipuliert die Inputfaktoren des Prozessors in der Weise, dass jeder ausgeführte Arbeitsschritt den NBTI-Effekt in hohem Maße verstärkt.

Als Testobjekt diente für Karri et al. ein OpenSPARC-Prozessor, da das Unternehmen Oracle die Prozessorarchitektur offengelegt hat. In einem Zeitraum von nur einem Monat gelang es den Forschern die Performanz solch eines Prozessors um rund elf Prozent zu senken und diesen an den Rand des Versagens zu bringen. Die Software Magic ist jedoch nicht nur für den OpenSPARC-Prozessor ausgelegt. Kanuparthi führt aus, dass ein Magic-Code füt jeden Prozessortyp erzeigt werden könne. So habe ein Kollege von ihm bereits einen Code für eine andere Prozessorarchitektur erstellt und erfolgreich angewandt.

Wer profitiert von solch einer Software?

Karri et al. nennen drei mögliche Nutznießer, die vom Einsatz solch einer Software profitieren könnten.

  1. Zum einen sind hierbei die Hersteller zu nennen. Diese könnten kurz vor der Einführung neuer Smartphones oder Laptops die Magic-Software per Softwareupdate aufspielen, so dass die Performanz dieser älteren Geräte gemindert wird, damit die Inhaber dieser Geräte nicht mehr mit der Leistungsfähigkeit zufrieden sind und die neueren Geräte kaufen. Konkrete Einzelbeispiele für solch eine “geplante Obsoleszenz” gibt es bereits, allerdings noch keine langfristigen Studien dazu.
  2. Kunden könnten nur bedingt von dem Einsatz von Magic profitieren, allerdings wird hierbei eine Betrügermentalität vorausgesetzt. Kunden, die im Rahmen der Garantie nicht mehr mit ihrem Produkt zufrieden sind, könnten diese Software einsetzen, die Geräte zum vorzeitigen Ableben bringen und daraufhin Ersatzgeräte vom Hersteller verlangen.
  3. Als dritten Nutznießer führt Kanuparthi den Staat beziehungsweise das Militär an. Hardware, insbesondere solche zu militärischen Zwecken, welche an andere Staaten verkauft wurde, könnte durch den Einsatz der Magic-Software zerstört werden, wenn dieser Staat die diplomatischen Regularien nicht einhalten würde. Das wäre als eine Art Vergeltungs- oder Erziehungsmaßnahme zu sehen. Allerdings gebe es laut den Forschern für solche militärische Attacken noch keine Beweise, nur Vermutungen.

Einzigartigkeit und Antidot von Magic

Bereits früher gab es verschiedene Attacken mittels Software-Hacks, die auf bestimmte und spezielle Industriecomputer abzielten (siehe Wurm Stuxnet). Bei Magic verhält sich die Sache etwas anders. Die Software zielt direkt auf die Hardware handelsüblicher Smartphones und Computer ab, die der gewöhnliche Nutzer privat zuhause verwendet. Magic ist in der Weise einzigartig, dass die Prozessorkerne unmittelbar zerstört werden.

“Mit der fortschreitenden Miniaturisierung integrierter Schaltkreise wird es immer einfacher, mit spezieller Software die Hardware lahmzulegen”, sagt Kanuparthi. “Je kleiner die Transistoren, desto anfälliger werden sie für stressbedingte Alterungserscheinungen. Zwar gibt es eine Reihe von Mechanismen, um den Transistoren eine Erholungsphase zu erlauben, aber bisher hat Magic diese alle umgangen.”

Dennoch gibt es auch eine Art Hilfsmittel gegen Magic und den NBTI-Effekt, so dass die Hardware-Degenerationen verlangsamt werden können. Nutzer können solche Attacken erkennen und als Schutz ein invertiertes Aktivitätsmuster durch den Prozessor laufen lassen. “Damit lässt sich ein gestresster Prozessor um bis zu 90% regenerieren”, sagt Kanuparthi.

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