Development of a New Open-source Evaluation Board
Designed for Side-channel Analysis
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Ryotaro Oohara , Haruka Hirata , Kazuhide Uchiyama ,1
Kobe University, Hyogo, Japan
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The University of Electro-Communications, Tokyo, Japan
Our Proposal: SHAMIKO

What is Side-channel Analysis?
Attacks against cryptographic devices
Cryptographic devices such like smart cards and credit cards are widely usedin the world. Of course, cryptography is very important when you see webservices.
The encryption algorithm which is used in such services and devices must betheoretically proven. However, can we say the algorithm is secure what if
someone accesses directly the hardware devices?
The encryptions which is theoretically proven, e.g., Advanced Encryption
Standards, have potential to be exploited
as long as it works on the hardware.

Rendering Image①Power measurement point
SHAMIKO has several power measurement points with shunt resistors
insert core power supply lines to measure the power consumption oftarget logics in the FPGA.

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Side-channel analysis
Leakage such link time, power consumption, and electromagnetic radiation
are effective information to extract a secret key used in the encryption for
an attacker. Researchers call them “side-channel” while input/output is called
main-channel. Attacks using side-channel information is called Side-channel
attacks (SCAs).
For instance, we measure much amount of traces of the power consumption
with an oscilloscope. Then we statistically analyze them and obtain the secretkeys.
Figure 1 shows an example of simple power
analysis. If a process branches depending on
the certain bit, i.e., 0 or 1 (do nothing when 0),
the attacker obtains information that theprocess was taken or not taken.
Figure 1: Example of simple power
analysis.

2②FPGAEmploys Spartan™ 7 or Artix™ 7, supported until 2035
③USB Interface
SHAMIKO has both USB 2.0 and USB 3.0 ports, providing bothcompatibility and faster communication than conventional devices.

Design concept of SHAMIKO

Background of our proposal
Security evaluation for the countermeasure
To protect devices many countermeasures against side-channel attacks havebeen proposed ever. To confirm their security, those proposed
countermeasures must be practically evaluated.
In the experimental evaluation, the SAKURA-G board [1], which has two
FPGA and is designed for side-channel experiments is widely used aroundthe world.
The board is proposed by Japanese researchers, and thanks to having twoFPGAs that one is used for encryptions and another one is used forcommunications we get ultra-low noise power traces.

Problems of SAKURA-G
The SAKURA-G is originally proposed a decade ago and is not updated for along time.
That’s why, installed FPGAs is very old there are some problems, e.g,developing tools is restricted (we are enforced to use Xilinx ISE instead ofVIVADO), it does not run on Windows 11 or newer OS. Moreover, Xilinx
stooped developing/updating the ISE. Hence this field of research would bewaning.
To conquer this situation, we launched the SHAMIKO project, the successor
to SAKURA project.

REFERENCES：[1] https://satoh.cs.uec.ac.jp/SAKURA/hardware/SAKURA-G.html

・Completely open source
SHAMIKO is being designed in KiCAD, an open source CAD system. The design
project files will be provided as open source. If you can use KiCAD, you can easily
replace the Main FPGA with your ASIC by modifying SHAMIKO.

・Accessibility
We are planning to build all SHAMIKO parts in Digikey and the Fusion Open Part
Library.This will allow anyone to manufacture by only sending BOMs and Gerbers
to SeeedStduio Fusion.

Road map
Mid Jul.：Specification development
We are currently discussing the specifications with hardware security
researchers.
Late Aug.：Schematic design complete
Review with a circuit design expert.
Mid Oct. ：PCB design complete
PCB design expert review and manufacturing by FusionPCBA.
Early Nov.：Start of Prototype evaluation.
● Verify the basic behaviour of the prototype SHAMIKO.
● Port the software assets to SHAMIKO and evaluate them.
2024～ ：Release
SHAMIKO 1.0 will be released based on the feedback from theprototype SHAMIKO.

Development of a New Open-source Evaluation Board
Designed for Side-channel Analysis
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Ryotaro Oohara , Haruka Hirata , Kazuhide Uchiyama ,1
Kobe University, Hyogo, Japan
2
The University of Electro-Communications, Tokyo, Japan
Our Proposal: SHAMIKO

What is Side-channel Analysis?
イメージ図

暗号デバイスへの攻撃
情報化が進む現代では、Webショッピングやクレジットカード、ICカードなど暗号機能を搭載したサービスやデバイスをいたるところで目にします。
これらのサービスでは、理論的な安全性が証明された暗号アルゴリズムを使うことが当たり前ですが、「デバイスに物理的にアクセスできる人」がいたらどうでしょうか。理論的には安全とされている暗号アルゴリズムも、ハードウェア上で動作する限りは物理アクセスによって破られてしまうおそれがあります。

①電力計測ポイント
電力解析攻撃では、プロセッサの内部ロジックの消費電力を計測します。
SHAMIKOはFPGAのコア電源ラインに対して、シャント抵抗を挿入した電力計測ポイントを複数持ちます。

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サイドチャネル解析

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暗号化計算にかかる時間や計算中の消費電力、電磁波など、入出力（暗号化んにおいては平文と暗号文）以外から漏えいする情報のことをサイドチャネル情報と呼びます。サイドチャネル情報を用いて解析・攻撃するので、サイドチャネル解析・攻撃といいます。

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たとえば、デバイスの消費電力を用いたサイドチャネル解析では、オシロスコープを使って電力波形を測定し、統計的に解析することで暗号化に使用された秘密鍵を不正に取得します。
右図に単純な電力解析の例を示します。
あるビットが0か1かで処理が分岐（0のときはなにもしない）する場合、電力波形を見るだけでどちらの分岐に進んだかを知ることができます。

②FPGA2035年までサポートされているSpartan™ 7、Artix™ 7を搭載

図: 単純な電力解析の例③USBインタフェース
USB2.0とUSB3.0の両方のポートを持ち、互換性を維持しつつ従来よりも大きな通信帯域を提供

SHAMIKOの設計指針

Background of our proposal対策技術の安全性評価
サイドチャネル解析への対策技術は、理論的に安全性を示しただけでは不十分です。対策によって攻撃がどの程度難しくなるのか、消費電力を測定するなどの評価実験を行う必要があります。
評価実験には、FPGAが2つ搭載された専用の評価ボード（SAKURA-G [1]）を使うことが多く、世界中で広く使用されています。
SAKURA-Gは日本で開発されたボードで、2機のFPGAを暗号化処理とインタフェースとで使い分けています。これによって、暗号化中の消費電力を低ノイズで得ることができ、信頼度の高い評価実験を実現します。

SAKURA-Gの課題
SAKURA-Gは歴史が古く、10年前に開発されたボードです。しかしながら、開発時から現在に至るまで更新が行われておらず、古いFPGAを使い続けている状況です。そのため、開発環境がXilinx ISE（現在は後継としてVIVADOがXilinxから提供）に制限されてしまっています。
ISEの開発が既にストップしている、Windows 11では動かないなど、SAKUGA-Gは様々な問題点を抱えています。
このままでは暗号ハードウェアセキュリティ分野が衰退してしまうと危機を感じ、SAKURAの後継となる、SHAMIKOプロジェクトを立ち上げました。

完全なオープンソース
SHAMIKOはオープンソースのCADであるKiCADで設計しており、最終的なプロジェクトファイルごとオープンソースとして公開する予定です。
KiCADさえ使えればSHAMIKOを改造してFPGAをASICに置き換えることも容易です。

アクセシビリティ
SHAMIKOは全ての部品をDigikeyとFusionPCBAの提供するFusion Open Part Libraryで構成する計画です。これにより、誰でもSeeedStduioやその他PCB組み立てサービスにBOMとガーバーを送るだけで製造可能です。

Road map
7月中旬：仕様策定
現在各所と仕様検討に関してディスカッションを行っている
8月末：回路図完成
回路図完成時点で一度、専門家とレビューを行う
10月中旬：基板設完了
設計完了後レビューを行いFusionPCBAに製造を依頼
11月初頭：基板評価開始● 基板の基本的な動作検証を行う● 各種ソフトウェア資産をSHAMIKOに移植、評価を行う
2024~:Release
フィードバックを反映させSHAMIKO1.0をリリース

REFERENCES：[1] https://satoh.cs.uec.ac.jp/SAKURA/hardware/SAKURA-G.html