Ленивое восстановление состояния FPU

Регистры модуля с плавающей запятой и SIMD-регистры (широкие регистры команд параллельной обработки данных) обладают значительным размером и используются не всеми задачами (или потоками) в системе. Для ускорения переключения контекста большинство современных микропроцессоров поддерживают ленивое восстановление состояния FPU. Вместо полного сохранения состояния при переключении контекста операционная система может отметить FPU как «не доступный» в расчёте на то, что новая задача не будет использовать сопроцессор. Если предположение оказалось верным, время экономится; иначе, первая инструкция FPU или SIMD вызовет исключение (trap) в операционную систему, которая сохранит состояние для предыдущей задачи и загрузит множество регистров для текущей.

В процессорах с внеочередным исполнением команд ситуация осложняется: состояние «FPU не доступен» обнаруживается не мгновенно. Более того, это технически невозможно без потерь производительности, так как одновременно могут выполняться несколько потенциально ошибочных инструкций, а процессор должен отработать первую возникшую ошибку для симуляции последовательного исполнения. Какая именно ошибка — это становится известно только на этапе «ретайра» (завершения) инструкции. Процессор производит спекулятивное выполнение инструкции, используя содержимое регистров предыдущей задачи, а затем обнаруживает, что FPU был недоступен. Хотя архитектурное состояние возвращается к началу ошибочной инструкции, с помощью FPU можно провести загрузку из памяти (memory load), тем самым занеся данные в кэш процессора. Эксплуатация строится так же, как у семейств уязвимостей Spectre: содержимое кэша не является архитектурным состоянием (кэш влияет только на скорость, а не на корректность), так что данные в нём не сбрасываются. Адрес, использовавший часть регистров FPU предыдущей задачи, позже определяется по времени доступа к различным адресам памяти.

Эту уязвимость можно использовать и без возникновения исключений со стороны операционной системы. Разместив обращение к FPU внутри теневого исполнения ошибочного перехода (например, с помощью retpoline), процессор выполнит вредоносный код спекулятивно, затем «откатится» к неверно предсказанной ветви и не вызовет ловушку/переключение контекста ОС. Это позволяет атакующему быстро повторять операцию и прочитывать содержимое всех регистров FPU и SIMD.

Уязвимость позволяет получить полный снимок состояния регистров FPU, включая расширенные наборы, такие как AVX-512. Увеличенный размер регистров AVX-512 делает утечку более значимой, позволяя извлечь до 2 КБ данных^[2][1].

Уязвимость LazyFP относится к классу атак по сторонним каналам и, подобно Spectre и Meltdown, использует механизм спекулятивного выполнения команд^[2].^[8] Ключевое отличие LazyFP заключается в объекте атаки. Если Meltdown нацелена на чтение данных из защищённой основной памяти ядра, а Spectre позволяет получить доступ к памяти других процессов, то LazyFP направлена на извлечение данных из регистров блока вычислений с плавающей запятой (FPU)^[9].^[10] Кроме того, различаются способы устранения уязвимостей. В отличие от Meltdown и Spectre, для защиты от LazyFP не требуются обновления микрокода процессора. Проблема решается исключительно на уровне операционной системы или гипервизора путём отключения «ленивого» режима и перехода на «энергичное» (eager) восстановление состояния FPU при переключении контекста^[11].^[12]

Эту уязвимость можно устранить на уровне операционной системы или гипервизора, если по каждому переключению процесса выполнять немедленное («энергичное», eager) восстановление состояния FPU^[13][14]. В этом случае обновления микропрограмм процессора не требуются. В новых поколениях процессоров Intel (12—14-е поколения) аппаратных изменений, специфичных для этой уязвимости, не вводилось, защита полностью обеспечивается на уровне ОС^[10][14]. Влияние на производительность от перехода на eager-режим на современных системах оценивается как незначительное^[14][15]. Некоторые операционные системы изначально не применяли ленивое восстановление FPU по умолчанию, что защищало их на уязвимых аппаратных платформах, даже если сама аппаратная проблема присутствовала^[13]. Для ОС Linux с ядром версии 3.7 и новее можно явно активировать «жадное» (eager) восстановление регистров FPU с помощью параметра ядра eagerfpu=on^[2]. Многие производители системного ПО и дистрибутивы, включая Linux-дистрибутивы^[16], OpenBSD^[17], FreeBSD (выпущен патч в июне 2018 года)^[18], Windows (исправления для Windows 10 вышли в июле 2018 года, а Windows 11 защищена по умолчанию)^[10] и Xen^[7], выпустили исправления, устраняющие уязвимость.