处理器数据预取器安全研究综述

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：刘畅, 黄祺霖, 刘煜川, 林世鸿, 秦中元, 陈立全, 吕勇强

单位：1.清华大学计算机科学与技术系 北京 1000842.东南大学网络空间安全学院 南京 2111893.清华大学北京信息科学与技术国家研究中心 北京 100084

摘要：数据预取器是现代处理器用于提高性能的重要微架构组件。然而，由于在设计之初缺乏系统性的安全评估与考量，主流商用处理器中的预取器近年来被揭示出存在严重安全隐患，已被用于针对浏览器、操作系统和可信执行环境的侧信道攻击。面对这类新型微架构攻击，处理器安全研究亟需解决以下关键问题：如何系统性地分析攻击方法，全面认识预取器潜在风险，量化评估预取器安全程度，从而设计更加安全的数据预取器。为解决这些问题，该文系统调研了商用处理器中已知预取器设计及相关侧信道攻击，通过提取内存访问模式，为7种预取器建立行为模型，并基于此为20种侧信道攻击建立攻击模型，系统整理了各类攻击的触发条件和泄露信息，并分析可能存在的其他攻击方法。在此基础上，该文提出1套包含3个维度和24个指标的安全性评估体系，为数据预取器的安全性提供全面量化评估。最后，该文深入探讨了防御策略、安全预取器设计思路及未来研究方向。作为首篇聚焦于商用处理器数据预取器安全问题的综述性文章，该文有助于深入了解数据预取器面临的安全挑战，推动预取器的安全性量化评估体系构建，从而为设计更加安全的数据预取器提供指导。

关键词：计算机体系结构, 处理器, 数据预取器, 微架构安全, 侧信道攻击