La inyección de fallos por láser (LFI, por sus siglas en inglés) es el ataque más exigente técnicamente dentro del repertorio de un investigador de seguridad de hardware. Consiste en disparar un láser infrarrojo enfocado con precisión sobre el chip de silicio expuesto para provocar que un transistor específico falle en un momento concreto durante una operación determinada. Cuando funciona, puede extraer claves secretas de chips diseñados para impedir justamente esa extracción.
Several publicly documented cases demonstrate that this technique has been successfully applied to dedicated secure chips used in hardware wallets and authentication tokens to protect cryptographic secrets.
This article takes a closer look at some specific cases. It also explains why laser fault injection isn't a significant concern for most hardware wallet users.
Laser fault injection proves that certified secure elements can be broken under laboratory conditions. It also proves that doing so requires six distinct operational barriers that cannot be removed, compressed, or automated.
En qué consiste la inyección de fallos por láser
Antes de analizar ejemplos concretos, aclaremos qué es la inyección de fallos por láser y cómo funciona.
El efecto fotoeléctrico
Los transistores semiconductores son fotosensibles. Cuando los fotones de un láser inciden sobre un transistor en el chip de silicio, generan pares electrón-hueco, un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico a nivel de semiconductor.
Una inyección temporal de portadores de carga puede cambiar el estado de un transistor. Esto significa que un transistor que debería permanecer apagado puede encenderse brevemente, o uno que debería mantener su valor puede alterarse. Si esto ocurre en el transistor correcto, en el momento adecuado y durante la instrucción precisa, puede hacer que el chip funcione de manera incorrecta pero controlada.
Los transistores en los chips de seguridad modernos se miden en nanómetros, por lo que el punto del láser debe enfocarse a unos pocos micrones para atacar una región funcional específica del chip sin activar las contramedidas adyacentes. Además, la sincronización debe ser precisa a nivel de nanosegundos, y la energía del láser debe calibrarse para provocar un fallo controlado sin destruir permanentemente el circuito.
¿Qué deben hacer los investigadores antes de disparar el láser?
La preparación física del dispositivo por sí sola implica varios pasos, cada uno de los cuales puede fallar:
Extracción de componentes: El chip debe ser desoldado de la placa de circuito del dispositivo sin dañarlo. Esto requiere equipo de retrabajo por aire caliente y manos firmes. Un chip dañado durante la extracción no puede ser atacado.
Decapsulado del encapsulado: Es necesario retirar el encapsulado plástico del chip para exponer el silicio. El método estándar es el decapsulado químico con ácido nítrico fumante, una sustancia altamente corrosiva que requiere campana extractora y capacitación en manejo de químicos. La alternativa es el fresado mecánico con una herramienta de precisión, que corre el riesgo de rayar el chip. Cualquier método altera permanentemente el chip, dejándolo sin encapsulado visible.
Montaje: El chip expuesto debe montarse en una placa de ataque personalizada que provea energía, tierra y comunicaciones, dejando la superficie del chip accesible al láser. La placa debe diseñarse específicamente para el pinout y los requisitos de alimentación del chip objetivo.
Mapeo del chip: Antes de poder inyectar cualquier fallo, se debe identificar en qué lugar del chip apuntar el láser. Esto requiere microscopía infrarroja para obtener un mapa fotográfico de la superficie del chip, junto con conocimiento de la ubicación de bloques funcionales específicos, como la matriz de memoria, la lógica de autenticación y el motor AES. Si no existe una foto publicada del chip, este mapeo debe hacerse completamente desde el exterior.
El problema del espacio de parámetros
Incluso con el chip preparado y el mapeo realizado, un ataque de inyección de fallos por láser requiere encontrar la combinación correcta de tres parámetros independientes:
Las coordenadas del punto láser sobre el chip (posición X e Y),
La sincronización del pulso respecto a la operación del chip (medido en nanosegundos)
La energía del láser (duración y potencia del pulso).
Cada uno de estos parámetros tiene un rango amplio de valores posibles. Para encontrar la combinación adecuada que provoque un fallo útil —y no un bloqueo, ningún efecto o daño permanente— es necesario explorar sistemáticamente.
The cases documented in this article required weeks of active parameter search before a successful fault injection was achieved.
Cómo se ve un LFI exitoso y qué implica un fallo
Una inyección de fallos exitosa puede provocar cualquiera de las siguientes alteraciones controladas:
Una verificación de seguridad arroja un resultado incorrecto,
Una región de memoria protegida se vuelve accesible
Se omite un paso de autenticación.
Si la inyección falla, puede ocurrir una de tres cosas:
El chip sigue funcionando normalmente (sin efecto),
El chip se bloquea y debe reiniciarse (se pierde el progreso),
El chip queda dañado permanentemente y el ataque debe reiniciarse con otro ejemplar.
Permanent chip destruction during an attack is not unusual. In the Ledger Donjon work on the ATECC series, the researchers explicitly noted significant chip loss during parameter exploration. Each destroyed chip represents a failed attack attempt with no return and requires either a replacement chip from the same device or a new target device.
El ATAES132A es la memoria EEPROM serial segura basada en AES de Microchip Technology; el primer dispositivo de su familia CryptoAuthentication AES.
La hoja de datos enumera explícitamente sus características de seguridad física:
Detectores de manipulación para voltaje, temperatura, frecuencia y luz;
Blindaje metálico activo sobre el circuito; cifrado interno de memoria;
Contramedidas adicionales no especificadas.
No cuenta con certificación CC. Sus afirmaciones de seguridad se basan en el diseño propietario descrito en la hoja de datos y en un firmware ROM que no es accesible para revisión externa.
Investigación
Investigadores de Fraunhofer AISEC: Bjoern Selmke, Endres Strieder, Johann Heyszl, Stefan Freud y Thomas Damm, publicaron sus hallazgos en FPS 2021 (Foundations and Practice of Security), con el artículo completo en la serie Lecture Notes in Computer Science de Springer en 2022.
El objetivo principal del proyecto fue crear un método claro para probar la seguridad de chips cuyo interior no es visible, conocido como inyección de fallos por láser de caja negra. El chip ATAES132A se seleccionó como un buen ejemplo de dispositivos utilizados para proteger información en aplicaciones reales.
Metodología del ataque
Los investigadores no tenían acceso al código fuente del chip, documentos de diseño ni fotos internas. Comenzaron utilizando análisis de fotoemisión, un método que captura la débil luz emitida por los transistores al encenderse y apagarse.
Al tomar imágenes del chip durante operaciones específicas, pudieron ver qué áreas estaban activas durante ciertos comandos. Esto les permitió crear un mapa funcional sin necesidad de conocer el diseño del circuito.
Con este mapa, identificaron regiones candidatas para la inyección de fallos, es decir, áreas que probablemente contienen la lógica crítica de seguridad que querían alterar. Luego ejecutaron la búsqueda de parámetros: variando sistemáticamente la posición del láser, el tiempo, la duración y la energía del pulso sobre las regiones identificadas mientras enviaban comandos de autenticación al chip.
El objetivo era el mecanismo de control de acceso por zonas del chip, que impide lecturas no autorizadas de zonas protegidas de usuario. La intención del ataque era lograr que esta verificación devolviera un resultado positivo sin que el atacante proporcionara credenciales de autenticación válidas, permitiendo así leer directamente el contenido de una zona protegida.
El ataque tuvo éxito. Los investigadores demostraron la extracción total de la clave secreta de una zona de usuario protegida mediante inyección de fallos por láser, sin conocimiento previo de la credencial de autenticación.
Caso 2: Microchip ATECC508A y ATECC608A
[ LASER FAULT INJECTION · Ledger Donjon · SSTIC 2020 / SSTIC 2021 · Black Hat USA 2020 ]
El Microchip ATECC508A es un chip de elemento seguro utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de seguridad IoT y embebidas, incluyendo la billetera de hardware Coldcard Mk2 para Bitcoin.
Aunque está diseñado para cumplir altos estándares de seguridad, como FIPS 186-3 y estándares de generador de números aleatorios FIPS, el ATECC508A no cuenta con certificación CC.
El ataque al ATECC508A en 2020
El objetivo era el mecanismo de autenticación de ranuras de datos del ATECC508A. Cuando la Coldcard Mk2 almacena la semilla, se coloca en una ranura de datos configurada como secreta, solo legible tras autenticación. La autenticación requiere presentar el hash del PIN correcto. La idea es que, incluso si un atacante tiene acceso físico al chip, no puede leer la ranura sin el PIN.
Al disparar el láser sobre una región identificada con precisión del chip en el momento en que se ejecutaba la comprobación de acceso, los investigadores lograron que la verificación devolviera un resultado exitoso, independientemente de si se había realizado la autenticación.
Preparación física requerida: desoldar el ATECC508A de la PCB de la billetera, fresar el encapsulado plástico desde la parte posterior y montarlo en una placa de ataque. Se utilizó un microscopio infrarrojo para mapear el diseño del chip e identificar la región objetivo.
Equipment cost: The laser fault-injection setup used by Ledger Donjon costs approximately $200,000, excluding the skilled technicians required to operate it and develop the attack.
El proceso de ataque es destructivo; el encapsulado del chip se elimina permanentemente y no puede volver a utilizarse.
6 razones por las que los ataques LFI no escalan
Seis barreras impiden que este ataque de laboratorio represente una amenaza práctica para los usuarios de billeteras de hardware, sin importar la habilidad o el presupuesto del atacante.
Barrier
What LFI requires
Why does it prevent mass attack
Physical access
El chip debe ser desoldado, decapsulado y montado en un soporte de ataque personalizado. El dispositivo queda alterado de forma permanente.
Cada objetivo requiere manipulación individual. El ataque no puede ejecutarse de forma remota.
Chip decapping
Eliminación química o mecánica del encapsulado plástico del chip para exponer el silicio. Requiere ácido nítrico fumante o equipo de fresado de precisión.
Irreversible. El dispositivo no puede volver a usarse sin que se note.
Limita el ataque a escenarios donde ya se acepta el robo del dispositivo.
Capital equipment
Fuente de láser infrarrojo, mesa XY de precisión o microscopio, osciloscopio, placa de ataque personalizada, equipo de análisis de fotoemisión: mínimo US$ 100,000–200,000.
Los costos de capital no pueden repartirse entre varios objetivos como ocurre con el software o la infraestructura.
Cada chip requiere además una nueva calibración de parámetros.
Parameter search time
Identificar la ubicación, sincronización, energía y duración del láser requiere explorar extensamente un espacio de parámetros muy amplio; días o semanas por familia de chip.
El costo en tiempo por objetivo es alto y difícilmente reducible. La investigación previa ayuda, pero cada variante requiere calibración nueva.
Specialized expertise
Conocimientos avanzados en física de semiconductores, teoría de inyección de fallos, análisis de señales, análisis de diseño de chips y sistemas embebidos: una combinación poco común y difícil de contratar.
El grupo de personas capaces de ejecutar estos ataques es reducido, conocido en la comunidad investigadora y no disponible a escala criminal.
Uncertain return
El éxito es probabilístico. La inyección de fallos tiene una tasa de fallos significativa. Los chips pueden destruirse permanentemente sin obtener los datos buscados.
El rendimiento esperado por intento se reduce por la probabilidad de fallo. Contra tenencias promedio, la matemática no cierra.
Las seis barreras deben funcionar en conjunto, multiplicando su efecto, no solo sumándose. Esto significa que un atacante debe superar todas simultáneamente, lo que refuerza la seguridad.
El verdadero propósito de la investigación sobre LFI
La investigación que documenta un ataque exitoso contra un chip en realidad los hace más seguros de dos maneras. Primero, obliga a los fabricantes a mejorar las contramedidas en futuras revisiones de silicio.
En segundo lugar, las metodologías de ataque publicadas definen el piso de lo que un adversario bien financiado puede lograr y lo que los diseñadores de chips deben proteger.
Conclusiones
Esto es lo que debes saber como usuario de billetera de hardware:
La inyección de fallos por láser es real y funciona. Los investigadores han vulnerado chips seguros de esta forma. En la práctica, primero tendrían que robar físicamente tu dispositivo.
Una vez iniciado el ataque, tu dispositivo queda destruido de forma visible y permanente. Sabrías que fue manipulado.
El equipo cuesta como mínimo US$ 100,000–200,000. No es algo que pueda hacer un ladrón casual. Además, requiere semanas de trabajo especializado por chip. No es un ataque masivo.
El ataque puede fallar y destruir el chip sin obtener nada, así que incluso para el atacante es una apuesta arriesgada.
Si eres un usuario promedio, la economía simplemente no favorece al atacante. Tu verdadera superficie de riesgo es el phishing, el malware y la exposición de la frase semilla, no un laboratorio de láser popular.
