在嵌入式系统和汽车电子领域，硬件级安全启动链被视为最后一道防线。NVIDIA Tegra X2 系统级芯片（SoC）曾长期被认为是安全的嵌入式平台，其硬件强制的安全启动机制为 Magic Leap One 混合现实头显、Tesla Autopilot 2/2.5 等关键系统提供了信任根基。然而，2025 年底在 39 届混沌通信大会（39C3）上公开的研究成果彻底颠覆了这一认知 —— 安全研究员 Amber Katze 展示了如何通过硬件级攻击向量完全绕过 Tegra X2 的安全启动链。
硬件安全启动链的信任模型与攻击面
现代安全启动链建立在硬件根信任（Root of Trust）基础上。在 NVIDIA Tegra 架构中，BootROM 作为不可修改的掩膜 ROM 存储在芯片硅片上，负责验证后续引导阶段的数字签名，验证密钥则烧录在硬件熔断器（eFuse）中。这种设计理论上确保了只有经过认证的代码才能在启动过程中执行。
然而，硬件安全并非无懈可击。Tegra X2 的漏洞攻击链揭示了三个关键攻击面：
- 软件层漏洞：引导加载程序中的 sparsehax 和 dtbhax 漏洞
- 硬件接口攻击：JTAG 调试接口和 USB 恢复模式（RCM）
- 物理层攻击：故障注入和侧信道分析
攻击链深度解析：从软件漏洞到硬件绕过
第一阶段：软件漏洞利用（sparsehax + dtbhax）
攻击者首先利用 Tegra X2 引导加载程序中的两个关键漏洞：
sparsehax是 SparseFS 镜像解压缩逻辑中的漏洞。SparseFS 是 Android 快速启动刷机使用的格式，攻击者通过精心构造的恶意 SparseFS 镜像触发栈缓冲区溢出，在引导加载程序的文件系统解析器中获得代码执行权限。正如研究员 Katze 所述，这一漏洞让她能够 "通过 USB 粉碎引导加载程序的栈"，在安全启动验证完全完成前获得执行控制权。
dtbhax则涉及设备树块（DTB）加载机制。通过放置超规格或格式错误的 DTB，攻击者可以覆盖引导加载程序内存中的部分内容，实现持久化代码注入。这一漏洞允许攻击者在初始利用后维持代码执行，为后续硬件攻击奠定基础。
第二阶段：硬件故障注入与侧信道分析
获得引导加载程序控制权后，攻击者需要提取并分析 BootROM 内容。由于 BootROM 是硬件 ROM，无法直接读取，Katze 采用了故障注入与功率分析侧信道相结合的高级攻击技术。
电压毛刺攻击：在 Tegra X2 执行安全启动检查的关键时刻，攻击者引入短暂的电压毛刺 —— 电源电压的快速微小下降或尖峰。这种电子 "绊线" 导致处理器以受控方式故障运行，例如跳过指令或导致条件检查失败。
功率分析侧信道：在诱导毛刺期间，攻击者测量芯片的功耗。功耗的微小差异可以泄露硬件中正在处理的操作和数据信息。通过重复毛刺并仔细分析功率轨迹，研究员能够提取 BootROM 内容 —— 通过观察其侧信道发射有效地转储秘密 ROM。
第三阶段：BootROM USB 恢复模式漏洞利用
分析提取的 BootROM 固件后，Katze 发现了 USB 恢复模式代码中的严重漏洞。Tegra 设备具有 USB 恢复模式（RCM），用于设备配置或解除砖化，在此模式下 BootROM 在强制执行任何签名检查前通过 USB 监听命令 / 有效载荷。
在 X2 的 BootROM 中，此 USB 处理程序包含一个漏洞 —— 很可能是缓冲区溢出或逻辑错误 —— 可被利用在 BootROM 自身上下文中实现代码执行。由于 BootROM 以最高权限运行并负责根信任，利用此漏洞意味着完全破坏安全启动链。
最关键的是，此 BootROM 漏洞无法通过软件修补。BootROM 位于只读硬件中，NVIDIA 无法通过固件更新修复它；只有新的芯片修订版才能解决此错误。因此，所有现有的 Tegra X2 芯片都共享此漏洞。
硬件攻击向量的工程化参数
JTAG 调试接口攻击参数
虽然 Tegra X2 的 JTAG 接口通常在生产设备中被禁用，但攻击者可能尝试重新启用或利用未正确配置的接口：
- 时钟频率：JTAG TCK 时钟通常为 10-100MHz，攻击者需要匹配目标设备的时序要求
- 电压电平：1.8V/3.3V TTL 电平，需要精确的电压调节以避免损坏芯片
- 认证绕过：某些实现中的弱认证机制可能被暴力破解或旁路
eFuse 熔断机制攻击
eFuse 是硬件安全的关键组件，但并非绝对安全：
- 激光故障注入：使用 1064nm 波长的激光，脉冲宽度 10-100ns，能量密度 5-50mJ/cm²
- 电磁故障注入：磁场强度 50-200mT，脉冲宽度 20-100ns
- 读取保护旁路：通过侧信道分析或物理探测读取 eFuse 内容
可信执行环境（TEE）攻击向量
Tegra X2 的可信执行环境也存在攻击面：
- 内存总线拦截：DDR5 内存总线拦截攻击，如 TEE.Fail 攻击所示
- 缓存侧信道：通过缓存计时攻击提取 TEE 中的秘密
- 电源分析：差分功率分析（DPA）和相关性功率分析（CPA）
防御策略与工程化监控要点
1. 硬件级防御参数
电压 / 时钟监控电路：
- 电压异常检测阈值：标称电压的 ±5-10%
- 响应时间：<100ns 的检测到响应延迟
- 复位机制：检测到异常时立即硬件复位
冗余计算与检查：
- 关键安全步骤的双重执行与比较
- 错误检测码（ECC）保护敏感数据
- 时间冗余：关键操作执行两次并比较结果
侧信道抵抗设计：
- 功耗平衡：敏感操作期间保持恒定功耗
- 时序随机化：操作时序添加随机延迟
- 电磁屏蔽：金属屏蔽层减少电磁泄漏
2. 接口安全配置
USB 恢复模式管理：
- 生产后通过 eFuse 永久禁用 RCM 模式
- 物理隔离内部 USB 调试端口
- 访问控制：需要物理开关或认证才能启用
JTAG 接口保护：
- 生产时烧录禁用位
- 物理破坏 JTAG 测试点
- 动态启用：仅在特定条件下临时启用
3. 监控与检测参数
物理篡改检测：
- 外壳完整性传感器：检测开封的阈值力 0.5-2N
- 温度异常检测：工作温度范围外的 ±10-20°C
- 电压毛刺检测：纳秒级瞬态检测能力
运行时完整性检查：
- BootROM 哈希验证频率：每 1-10 秒
- 内存完整性检查：ECC 错误计数阈值
- 执行流监控：控制流完整性（CFI）检查
4. 供应链安全考虑
芯片级安全评估：
- 预生产故障注入测试：至少 1000 次注入测试
- 侧信道分析评估：功率和电磁分析
- 物理安全审查：芯片开封和逆向工程抵抗
生产配置管理：
- 安全启动密钥管理：HSM 保护的分层密钥
- 生产模式转换：从开发到生产的明确转换
- 审计日志：所有安全相关操作的不可变日志
影响评估与风险缓解
受影响设备清单
- Magic Leap One：混合现实头显，Tegra X2 主处理器
- Tesla Autopilot 2/2.5：自动驾驶计算机，2016-2019 年生产
- NVIDIA Jetson TX2：嵌入式 AI 计算平台
- 其他工业嵌入式系统：使用 Tegra X2 的定制设备
攻击可行性评估
虽然漏洞严重，但实际可利用性有显著限制：
- 物理访问要求：攻击者必须物理访问设备内部
- 攻击复杂度：需要定制硬件、精确时序和多个漏洞链式利用
- 技能要求：高级硬件安全研究专业知识
- 检测可能性：成功的攻击可能留下物理或日志痕迹
风险缓解策略
立即缓解措施：
- 限制物理访问：保护 USB 端口和内部接口
- 固件更新：修补引导加载程序漏洞（如可用）
- 监控异常：检测重复重启或异常功耗模式
中期缓解措施：
- 硬件修改：物理禁用或屏蔽调试接口
- 安全审计：定期安全评估和渗透测试
- 供应链审查：确保组件来源可信
长期解决方案：
- 硬件更换：迁移到更新的安全平台
- 架构改进：采用硬件安全模块（HSM）增强安全
- 设计更新：实施本文所述的防御机制
结论与未来展望
NVIDIA Tegra X2 安全启动链的硬件级旁路攻击揭示了嵌入式系统安全的深层挑战。这一案例强调了硬件安全必须从设计阶段开始，贯穿整个产品生命周期。
未来硬件安全设计的关键方向包括：
- 可验证的安全启动：形式化验证的 BootROM 代码
- 物理不可克隆功能（PUF）：基于芯片物理特性的唯一标识
- 主动防御机制：实时攻击检测和响应
- 安全生命周期管理：从设计到退役的全周期安全
对于仍在使用 Tegra X2 设备的组织，建议立即评估风险暴露，实施分层防御策略，并规划向更安全平台的迁移。硬件安全没有银弹，但通过深度防御和持续监控，可以显著降低攻击成功的可能性。
正如安全研究员 Katze 的工作所示，硬件安全研究不仅揭示漏洞，也推动整个行业向更安全的设计发展。这一案例应成为所有硬件设计者的警示：在物理攻击面前，没有系统是绝对安全的，但通过精心设计和持续改进，我们可以建立更强大的防御。
资料来源：
- Jung-Hua Liu, "Breaking the Secure Boot of the NVIDIA Tegra X2: Vulnerabilities and Mitigation", Medium, January 2026
- Redazione RHC, "NVIDIA Tegra X2 Vulnerability: Millions of Devices at Risk", RedHotCyber, January 2026
- Amber Katze, "Making the Magic Leap past NVIDIA's secure bootchain and breaking some Tesla Autopilots along the way", 39C3 Conference, December 2025