Over the last decade, applications of neural networks have spread to cover all aspects of life. A large number of companies base their businesses on building products that use neural networks for tasks such as face recognition, machine translation, and autonomous cars. They are being used in safety and security-critical applications like high definition maps and medical wristbands, or in globally used products like Google Translate and ChatGPT. Much of the intellectual property underpinning these products is encoded in the exact configuration of the neural networks. Consequently, protecting these is of utmost priority to businesses. At the same time, many of these products need to operate under a strong threat model, in which the adversary has unfettered physical control of the product. Past work has demonstrated that with physical access, attackers can reverse engineer neural networks that run on scalar microcontrollers, like ARM Cortex M3. However, for performance reasons, neural networks are often implemented on highly-parallel general purpose graphics processing units (GPGPUs), and so far, attacks on these have only recovered course-grained information on the structure of the neural network, but failed to retrieve the weights and biases. In this work, we present BarraCUDA, a novel attack on GPGPUs that can completely extract the parameters of neural networks. BarraCUDA uses correlation electromagnetic analysis to recover the weights and biases in the convolutional layers of neural networks. We use BarraCUDA to attack the popular NVIDIA Jetson Nano device, demonstrating successful parameter extraction of neural networks in a highly parallel and noisy environment.


翻译:过去十年间,神经网络的应用已扩展至生活的方方面面。大量公司以使用神经网络构建产品为业务基础,涉及人脸识别、机器翻译和自动驾驶汽车等任务。它们被用于高清地图和医疗腕带等安全关键型应用,或谷歌翻译和ChatGPT等全球性产品。这些产品背后的大量知识产权编码于神经网络的精确配置中,因此保护这些配置对企业至关重要。与此同时,许多产品需在强威胁模型下运行,其中攻击者可对产品进行不受限的物理控制。此前研究已表明,通过物理访问,攻击者能够逆向工程在标量微控制器(如ARM Cortex M3)上运行的神经网络。然而,出于性能考虑,神经网络通常部署在高度并行的通用图形处理器(GPGPU)上,而目前针对这类芯片的攻击仅能恢复神经网络的粗粒度结构信息,却未能提取权重和偏置。本文提出BarraCUDA——一种针对GPGPU的新型攻击方法,能够完整提取神经网络参数。BarraCUDA利用相关性电磁分析恢复神经网络卷积层中的权重和偏置。我们使用BarraCUDA攻击流行的NVIDIA Jetson Nano设备,在高度并行且噪声密集的环境中成功实现了神经网络参数的提取。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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