高性能GPU價格通常超過8,000美元，因此在雲端環境中經常由數十位使用者共用。三項新攻擊展示了惡意使用者如何透過對Nvidia高性能GPU卡進行創新Rowhammer攻擊，取得主機機器的完整root控制權。

這些攻擊利用記憶體硬體越來越容易發生位元翻轉的特性，即記憶體中儲存的0與1會互相轉換。2014年，研究人員首次證明，對DRAM記憶體硬體進行重複且快速的存取（稱為「hammering」）會產生電氣干擾，導致位元翻轉。一年後，另一組研究團隊展示，攻擊者可針對儲存敏感資料的特定DRAM列利用此現象，提升權限至root或繞過安全沙箱保護。當時的攻擊目標為DDR3世代的DRAM。

過去十年間，數十種更新的Rowhammer攻擊陸續出現，包含：

先前研究證明GDDR記憶體也易受Rowhammer攻擊，但效果有限。研究人員僅成功誘發8次位元翻轉，遠低於CPU DRAM的攻擊規模，且損害僅限於降低目標GPU上神經網路的輸出品質。

本週四，兩組獨立研究團隊展示針對Nvidia Ampere世代兩款顯卡的攻擊，將GPU Rowhammer推向全新且更具破壞性的領域：GDDR位元翻轉可讓攻擊者完全控制CPU記憶體，導致主機系統全面妥協。此攻擊需關閉IOMMU記憶體管理功能，該功能在BIOS中預設為關閉。

「我們的研究顯示，Rowhammer不僅在CPU上是嚴重威脅，在GPU上同樣如此，」其中一篇論文共同作者Andrew Kwong表示，該論文題為《GDDRHammer：大幅干擾DRAM列—來自現代GPU的跨元件Rowhammer攻擊》。「透過我們的研究，我們展示攻擊者如何在GPU上誘發位元翻轉，取得對CPU所有記憶體的任意讀寫權限，進而完全掌控機器。」

4月3日更新：週五，研究人員公布第三種Rowhammer攻擊，針對RTX A6000顯卡實現權限提升至root shell。與前兩種不同，該攻擊在IOMMU啟用時仍有效。

「透過破壞GPU頁面表，一個無權限的CUDA核心可取得任意GPU記憶體讀寫權限，並利用NVIDIA驅動程式中新發現的記憶體安全漏洞，將此能力鏈接至CPU端權限提升，」研究人員解釋。「結果是系統全面妥協，取得root shell，且無需關閉IOMMU，讓GPUBreach成為更強大的威脅。」

第一種攻擊為GDDRHammer，名稱前四字母同時代表「Graphics DDR」與「Greatly Disturbing DRAM Rows」。該攻擊針對Nvidia Ampere架構的RTX 6000顯卡。由於Ada世代的RTX 6000使用新版GDDR，研究人員尚未逆向，因此攻擊無效。

GDDRHammer利用新穎的hammering模式與記憶體調整技術，平均每個記憶體銀行誘發129次位元翻轉，較去年GPUHammer的8次大幅提升64倍。更重要的是，GDDRHammer能操控記憶體配置器，破壞GPU頁面表的隔離，進而讀寫GPU記憶體。

「我們的工作與先前攻擊不同之處在於揭露GPU記憶體上的Rowhammer威脅與CPU同等嚴重，且CPU記憶體的Rowhammer防護若未涵蓋GPU記憶體，將不足以防禦，」Kwong說。

目前已有大量理論與實務防護措施針對CPU Rowhammer，但研究顯示攻擊者可繞過這些防護，改為攻擊GPU並藉此入侵CPU。未來防護方案必須同時考慮CPU與GPU記憶體。

第二篇論文《GeForge：敲擊GDDR記憶體以偽造GPU頁面表以謀取利益》大致達成相同效果，但操控對象為最後一級頁目錄，而非頁表。該攻擊在RTX 3060誘發1,171次位元翻轉，在RTX 6000誘發202次。

GeForge同樣利用新hammering模式與記憶體調整，破壞GDDR6記憶體中的GPU頁面表映射，取得GPU記憶體的讀寫權限，進而控制主機CPU記憶體。GeForge在RTX 3060的概念驗證中，最終開啟root shell，讓攻擊者可在主機上執行任意指令。研究人員表示GDDRHammer與GeForge均可對RTX 6000達成相同效果。

「透過操控GPU地址轉換，我們發動攻擊，突破GPU上下文的機密性與完整性，」GeForge論文作者寫道。「更重要的是，我們在損壞的GPU頁面表中偽造系統孔徑映射，存取主機物理記憶體，實現Linux下的使用者至root權限提升。據我們所知，這是首個在GPU端實現主機權限提升的Rowhammer攻擊。」

週五曝光的第三種攻擊GPUBreach採用不同手法，利用GPU驅動本身的記憶體安全漏洞。其關鍵優勢是即使IOMMU限制GPU直接存取記憶體至驅動擁有的緩衝區，仍能提升權限至root。研究人員表示，GPUBreach透過破壞這些緩衝區的元資料，讓驅動（在CPU核心權限下執行）執行攻擊者控制的越界寫入，繞過IOMMU防護，無需關閉IOMMU。

與其他兩種攻擊相同，GPUBreach也使用記憶體調整技術。

Nvidia GPU驅動將頁面表存放於低階記憶體保留區，該區域不易被Rowhammer翻轉。為繞過此設計，GDDRHammer與GeForge將頁面表導向未受保護的區域。GDDRHammer透過Rowhammer翻轉位元，調整存取權限，達成此目的。

「由於頁面表決定可存取的記憶體，攻擊者可修改頁面表條目，賦予自己對GPU所有記憶體的任意存取權限，」Kwong透過電子郵件解釋。「更重要的是，我們發現攻擊者可修改GPU上的頁面表指向CPU記憶體，從而讀寫CPU所有記憶體，徹底妥協機器。」

GeForge論文共同作者Zhenkai Zhang描述記憶體調整過程如下：

「給定導向目標，我們先隔離包含該目標的2MB頁框。接著使用稀疏的統一虛擬記憶體（UVM）存取，耗盡驅動預設的低階頁面表配置池，並在適當時機釋放隔離頁框，使其成為驅動的新頁面表配置區。然後，精確推進配置，使頁目錄條目落在該頁框的易受攻擊子頁上。最後觸發位元翻轉，使損壞的頁目錄條目指向攻擊者控制的記憶體，並填充偽造的頁面表條目。」

Nvidia代表在電子郵件中表示，使用者若想了解是否易受攻擊及應採取何種措施，可參考去年GPUHammer攻擊後於7月發布的相關說明頁面，未進一步說明。

研究人員指出，RTX 3060與RTX 6000顯卡皆易受攻擊。啟用BIOS中預設關閉的IOMMU可修補此漏洞。IOMMU（輸入輸出記憶體管理單元）將裝置可見虛擬地址映射至主機物理地址，可限制GPU存取敏感記憶體。

「在我們的攻擊情境中，IOMMU可限制GPU存取主機敏感記憶體位置，」Kwong說。「但IOMMU預設在BIOS中關閉，以最大化相容性，且啟用IOMMU會因地址轉換開銷而帶來性能損失。」

如前述更新，GPUBreach研究人員表示IOMMU防護無法阻擋其攻擊。

另一種防護是啟用GPU的錯誤更正碼（ECC），Nvidia允許透過指令列啟用。與IOMMU類似，啟用ECC會因減少可用記憶體而帶來性能負擔，且部分Rowhammer攻擊仍能突破ECC防護。

GPU使用者應了解，目前已知易受Rowhammer攻擊的僅限於2020年推出的Ampere世代RTX 3060與RTX 6000顯卡。雖然不排除Nvidia及其他廠商新世代顯卡也可能受影響，但學術研究通常落後產品推出速度，現階段無法確定。

頂級雲端平台通常提供遠超消費者機器的安全防護。另需注意，目前尚無Rowhammer攻擊在野外實際被利用的案例。

這項研究的真正價值在於提醒GPU製造商與使用者，Rowhammer攻擊對這些平台的安全威脅可能極為嚴重。更多關於GDDRHammer與GeForge的資訊可參考相關連結。

本文持續更新，補充GPUBreach的最新細節。