摘要
集成光子AI加速器（SiPh-based AI accelerator，SPAA）使用硅基光电子实现快速、节能的光计算。但是，SPAA容易受到不同类型的硬件安全攻击，这些攻击目标是光电接口，并向光信号引入干扰，如黑洞、汇聚洞、复位向、IP劫持和洪水攻击。本文探讨了针对SPAA的不同硬件安全攻击类型，并提出了一种基于侧信道分析的非侵入式技术，在不需要修改内部硬件模块或将数据传输到外部主机的情况下检测SPAA中的干扰。本文展示了这些攻击如何通过改变光信号的功率和相位分布影响系统性能，并提出了可能的解决方案。本文还描述了初始化阶段建立基准场景、执行时比较输出值的两步技术。本文证明该技术可以成功检测不同攻击。
引言
硅基光电子与AI加速器的集成实现了快速、节能的光计算。但是，集成光子AI加速器（SPAA）容易受到硬件安全攻击，这些攻击目标是光电接口，并向光信号引入干扰。本文回顾了针对SPAA的硬件安全攻击 [1]，文献中提出了一种基于侧信道分析的非侵入式技术来检测SPAA中的干扰。
背景
本文概述了硅基光电子设计、光计算和硬件安全方面的工作，确定了本文要填补的研究空白，即探讨针对SPAA的硬件安全攻击。随着硅光子与AI硬件加速器集成的发展，硅光子AI加速器（SPAA）得到广泛研究。SPAA利用硅光子实现快速、节能的光计算，在AI系统中展现巨大应用潜力。然而，尽管SPAA在性能上具有突破性进展，其安全性问题也逐渐受到关注。与纯电子系统不同，SPAA更容易受到利用光电接口的硬件安全攻击。因此，研究针对SPAA的硬件安全攻击类型以及检测技术对保障SPAA安全运行非常重要。本文对已有研究进行全面回顾，确定尚未被充分探讨的问题，以期提出有效的检测SPAA安全攻击的技术，保障SPAA系统安全可靠。
针对SPAA的硬件安全攻击
文献分析了黑洞、汇聚洞、重定向、IP劫持和洪水攻击等攻击。这些攻击利用光电接口并向光信号引入干扰，影响SPAA的推理精度。例如，黑洞攻击会导致数据包丢失：洪水攻击通过注入大量噪声信号剥夺正常使用传输路径的能力。文献显示硅光子器件对温度和制程变化很敏感，在SPAA中会产生相位噪声，降低推理准确率。攻击者可以提高温度或利用HT攻击相位设置，也会对SPAA造成干扰。尽管已有针对电子系统的安全解决方案，但大多数并不适用于SPAA。因此，研究针对SPAA的特定攻击非常必要，以找出有效的检测和防御手段。本文通过分析各种已知攻击在SPAA中的具体表现，确定光电接口和相位噪声是主要受攻击面。这为后续提出检测技术提供依据。
检测技术
文献提出了一种基于侧信道分析的非侵入式技术，用于在不修改内部硬件或传输数据的情况下检测SPAA中的干扰。该技术包含初始化阶段建立基准场景和执行时比较输出值两步。硬件模块与SPAA交互，收集传输信号信息。攻击会干扰信号传输，插入噪声，可以通过分析噪声差异实现检测。这避免了修改硬件模块或离线计算的需要 [1]。引入两步技术：第一步，初始化阶段建立基准场景，存储参考输出：第二步，执行时重复基准场景，比较新旧输出值。如果超过 configured 阈值则触发报警。这种方法可以检测运行时干扰，无需修改内部硬件。本文通过SPAA仿真证明该技术可以成功检测不同攻击。该技术提供一种有效的安全保障手段，可以大幅提升SPAA的抗干扰能力。
硅基光电子器件和AI加速器
马赫章德干涉仪（MZI）和微环谐振器（MRR）广泛用于不同硅基光电子集成电路中。MZI是一种干涉仪，包含两个耦合器和臂上的相移器。通过在MZI臂引入相移，可以实现构造性或破坏性干涉。MZI用于相干SPAA的设计。MRR是一种谐振波长选择器件，输入信号可以通过电光效应或热光效应耦合到环中。MRR用于非相干SPAA的设计。硅光子节点配置可以是静态的，也可以是动态的。图1显示了一个与SPAA集成的电子控制器例子。控制器可以通过电光或热光调谐配置每个硅光子节点的操作。例如，控制器可以通过施加电压调整MZI臂上的微加热器改变MZI内光信号的相位。MZI和MRR可用于设计执行复杂操作的强大光子计算架构。基于MZI的相干SPAA可以通过在输入向量和权重矩阵（由调整不同MZI上的相位设置定义）之间执行相干乘法来设计。输入光信号与表示权重的相位设置相乘，得到输出。这样，SPAA可以用来实现神经网络，进行AI计算。
图1. 控制器与SPAA的集成概述。电气控制器与SPAA接口进行配置（例如，设置光学相位） [1]。
SPAA下的硬件安全攻击
光电子系统比纯电子系统更容易受到攻击，原因在于它需要进行多次光电转换。任何光子器件的操作都取决于设计参数和温度。例如，攻击者可以提高温度，导致相位噪声，降低推理精度。光电转换接口也容易受到攻击。尽管有针对电子硬件木马（Hardware Trojan，HT）的解决方案，但大多不适用于光电子系统。光学HT目标是光电接口和SPAA。先前工作考虑光路特点提出了解决方案。本文讨论了针对SPAA的攻击及影响，以及检测攻击的防御机制。与纯电子系统不同，SPAA面临独特的安全威胁，需要特殊的安全处理。已有工作主要集中在电子HT上，仅有部分初步研究涉及SPAA安全。本文通过分析SPAA下各种已知攻击的具体方式和影响，明确了其面临的安全风险，以及与纯电子系统不同的地方，为后续研究奠定基础。
检测SPAA中的干扰
文献探索了一种依赖于侧信道分析的非侵入式方法。该方法通过测量SPAA操作期间的输出读数来检测干扰。硬件模块与系统的电子层集成，与SPAA交互收集传输信号信息。如黑洞攻击会干扰信号传输，插入噪声。可以使用噪声差异检测SPAA中的干扰。这种方法可以避免修改硬件模块或进行复杂的离线计算。文献中设计了两步技术：第一步，在初始化阶段建立基准场景，存储参考输出；第二步，在执行时重复基准场景，比较新输出与存储输出。如果差异超过系统配置的阈值则触发报警。文献技术用于检测运行时干扰，无需修改内部硬件。侧信道分析方法可以有效实现安全检测，避免了数据传输或修改模块的需要。本文通过仿真验证了该技术，展示了它可以成功检测各种攻击。该技术为保障SPAA安全运行提供了可行的解决方案。
对应攻击的对策
针对SPAA攻击的有效对策很重要。文献显示通过收集传输信息和分析模式可以检测SPAA干扰，但需要修改模块或离线计算 [1]。提出的侧信道分析技术可以避免这两个问题。此外，精心设计的光子电路拓扑对抵御攻击也很重要。例如，在关键节点设置光学监控单元；采用冗余设计避免单点故障；设置光学防火墙，过滤干扰光信号。在系统级别上，可以建立光学虚拟局域网，对可疑节点进行隔离。另一方面，使用光学物理不可克隆函数加强接口安全性，设置动态光学水印防止IP劫持。最后，提高整体系统的强固性也非常必要，例如使用先进的训练算法减小噪声影响。本文讨论的检测技术与这些对策方法可以协同工作，全面提高SPAA的抗干扰攻击能力。
结果与讨论
使用光电芯片链路仿真工具，例如 PIC Studio 中的 pSim 可以模拟了不同SPAA，验证侧信道分析技术。采用了不同的SPAA架构，在不同攻击下的输出情况，可以看到输出发生明显变化，导致准确度降低，验证了攻击的影响。我们的技术可以轻松检测攻击并触发报警。该技术有效地利用了硅光子节点对变化的低容忍度这一特点。仿真结果证明，该技术可以可靠地检测各类攻击，为SPAA系统安全运行提供保障。
总结
SPAA需要不同的光电接口，这使其容易受到攻击。本文研究了利用这些漏洞的不同攻击及其影响，并提出了可能的对策。本文使用SPAA仿真电路模型验证了基于侧信道分析的检测技术，证明它可以成功检测不同攻击。本文对SPAA安全攻击与检测技术进行全面综述，分析了不同攻击的机制、影响及应对措施，并提出了一种有效的基于侧信道分析的非侵入式检测技术。该技术可以提高SPAA的抗干扰能力，使其安全可靠地应用于AI系统可为SPAA安全保障技术提供参考。
参考文献
[1]de Magalhães, F. G., Nikdast, M., & Nicolescu, G. (2023). Integrated Photonic AI Accelerators under Hardware Security Attacks: Impacts and Countermeasures. arXiv preprint arXiv:2309.02543.
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