针对 Spectre 和 Meltdown 的 CPU 重新设计答案

【问题标题】：CPU Redesign for Spectre and Meltdown针对 Spectre 和 Meltdown 的 CPU 重新设计
【发布时间】：2018-01-13 16:46:31
【问题描述】：

已经发布了很多补丁来修复最近发现的 Spectre 和 Meltdown 安全漏洞。然而，他们都通过禁用 cpu 上某些功能的使用来做到这一点（据我所知）。

所以我想知道被禁用的（预测）功能是否可能会在下一代处理器中恢复？

需要对 cpu 架构进行哪些设计更改？未来还能使用相同的预测算法还是需要对其进行调整？

我正在寻找技术解释，说明存在哪些选项可以恢复补丁前的性能并确保功能安全。

【问题讨论】：

IDK 如何解决 Spectre，但 Meltdown 很容易通过微架构更改来缓解。我已经把它写成了Why are AMD processors not/less vulnerable to Meltdown and Spectre? 和Would buffering cache changes prevent Meltdown? 的一部分（回答：它会部分解决 Spectre；Meltdown 更容易）。

标签： cpu-architecture exploit spectre

【解决方案1】：

我想它可以通过缓存条目中的额外标签（推测 id）来修复，该标签告诉缓存值是否是由推测引入的。当读取（cpu 外部）带有此标记集的条目时，缓存条目是不可见的（跳过）。当推测被选择执行（也就是不被丢弃）时，标签被清除（对于这个推测 id）。对我来说，这听起来一周内就可以解决，但我只是一个软件开发人员，而不是一个 cpu 设计师:-)

编辑：如果我正确理解 cmets，以上内容还不够。我们需要一个重复的 L1 缓存来防止驱逐检测。

【讨论】：

侧通道是通过缓存块的放置和替换。使用典型的模 2 索引，任何被替换的块（通过缓存未命中导致的较慢加载检测到）将具有与索引匹配的地址位（揭示这些位用于推测访问）。与正常 L1 访问具有相同延迟的受害者缓存将删除 L1 延迟 信息通道（适当的替换策略使推测性访问似乎从未发生过）。
所有负载都是在现代 OoO CPU 中推测发生的。它通常被验证（在退休时）是正确的猜测。所以缓存位翻转必须在退休时发生，当该行不被访问时。或者有由错误推测加载的错误预测恢复驱逐行。但这仍然只会阻塞刷新+读取缓存定时侧通道。它不会阻止相反的情况：预取+读取以查找被推测性负载逐出的行。 @Paul 建议与 L1D 并行检查受害者缓存可以停止两个侧通道。
但是没有人可以阻止 ALU 端口压力攻击，其中侧通道正在计时循环运行的速度，并且分支目标注入用于运行使用不同 ALU 端口的东西，具体取决于秘密数据，而不是加载缓存。相关：请参阅我在Would buffering cache changes prevent Meltdown? 上的回答，其中我更详细地讨论了缓存标记位，以及 ALU 侧通道（@PaulA.Clayton 的受害者缓存也无法解决）。但是 ALU 时序不太可靠，所以它会有所帮助。