Authentification de puces électroniques par des approches RF et THz non intrusives

Integrated Circuit Authentication based on electromagnetic signature

• Auteur / Autrice : Mosabbah Mushir Ahmed
• Direction : Étienne Perret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 04/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Wenceslas Rahajandraibe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Hély, Maxime Bernier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nuno Borges Carvalho, Bruno Rouzeyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chiffrement (informatique)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Rayonnements non-ionisants

Circuits intégrés

Mots clés libres

Puce

Fpga/ic

RF mm wave

Les techniques d'authentification

RF mm wave

Fpga/ic

IC Authentication

Authentication techniques

Résumé

L'avènement du dispositif à l'échelle nanométrique ou la réduction des circuits intégrés (CI) est devenu une bénédiction pour la civilisation humaine. De nos jours, il est devenu très courant de trouver des appareils électroniques dans différentes applications et instruments de divers secteurs. Les circuits intégrés ne se limitent plus aux ordinateurs et aux téléphones portables, ils font également partie intégrante de notre vie quotidienne. On les trouve dans nos cuisines (micro-ondes, four), dans les hôpitaux (ECG, IRM, etc.), dans les banques, dans l'espace, dans les télécommunications, la défense, etc. Cela nous a bien évidemment simplifié la vie. Cependant, tout a un prix.Les mutations économiques dues à l'intégration de l'électronique dans différents domaines ont exercé une pression supplémentaire sur les entreprises et les fabricants pour qu'ils produisent leur produit dans des contraintes de coût et de temps plus strictes. Cela a conduit des entreprises à étayer leurs unités de fabrication dans des fonderies indépendantes de leur volonté. En raison de cet avènement de petites fonderies non fiables ont vu le jour. L'augmentation du nombre d'usines de fabrication ou de fonderies est à l'origine du phénomène de la contrefaçon de composants électroniques, en particulier de circuits intégrés. Pour les petites fonderies qui ne répondent pas à toutes les spécifications, si elles se familiarisent avec la conception du circuit, elles peuvent produire un circuit intégré similaire à celui développé par les fabricants de composants d'origine (OCM) et les vendre sur le marché sans l'autorisation préalable d'OCM. sans effectuer des tests standardisés. En outre, les fonderies malveillantes ou non fiables peuvent copier et cloner la liste des périphériques et vendre sous le nom d’OCM. Cependant, en raison de l’absence de techniques efficaces de détection et d’évitement, beaucoup plus d’instances de CI contrefaits échappent à la détection que celles détectées. Au cours des dernières années, l’augmentation du nombre d’incidents de contrefaçon de circuits intégrés a poussé le concepteur et les chercheurs à mettre au point diverses méthodes d’essai et de normalisation en place. Cependant, beaucoup de ces méthodes peuvent être lourdes et avoir des implications énormes et des coûts importants pour leur mise en œuvre. Cela peut décourager les utilisateurs et les MCO d'appliquer ces méthodes dans leur produit.Dans cette thèse, nous avons travaillé sur la mise en œuvre d'une méthodologie pouvant être utilisée pour générer des empreintes digitales ou des signatures à partir des CI pouvant être utilisés aux fins de leur authentification. La méthode adoptée dans ce travail est basée sur l'idée d'exploiter les variations de processus induites par la fabrication en mettant en oeuvre les ondes électromagnétiques (EM). La variabilité de la fabrication des divers dispositifs testés a été exploitée par l’utilisation des ondes électromagnétiques. Les effets de variation de processus exploités ont été soumis à des traitements mathématiques pour quantifier la réponse de manière statistique.Les tâches suivantes ont été implémentées dans ce travail:• Étude de pointe sur la contrefaçon et le clonage de circuits intégrés (à la fois sur le risque et les techniques d’atténuation).• Configuration de la mesure: choix des composants, développement des mesures sur carte.• Configuration du circuit pour maximiser la sensibilité de mesure.• Campagnes de mesure utilisant différentes approches (RF).• Exploitation des mesures afin d’extraire les informations d’authentification de la mesure.Ces travaux ont principalement porté sur l’utilisation de deux dispositifs à semi-conducteurs différents, à savoir le FPGA et les microcontrôleurs. Ce sont des appareils très utilisés et trouvent leur application dans divers domaines. Le calcul statistique après traitement mathématique des réponses donne le taux d'erreur qui détermine l'efficacité des méthodologies adoptées.

The advent of nano-scale device or shrinking of integrated circuits (IC) has become a blessing for the human civilization. Nowadays it has become very much common to find piece of electronic devices in different applications and instruments of various sectors. ICs now are not only confined to computers and mobiles but they are integral part of our everyday life. They can be found in our kitchens (in microwaves, oven), in hospitals (instruments such as ECG, MRI etc.),banks, space, telecom, defense etc. It has of course made our lives easier. However everything comes with a price.The change in economy due to the integration of electronics in different domains have put an extra pressure on companies and manufacturers to produce their product in tighter constraints in terms of cost and time. This has led to companies of shoring their manufacturing units to foundries beyond their direct control. Due to this advent of small and untrusted foundries have been on rise. The rise in various manufacturing units or foundries has given rise to the phenomenon of counterfeiting of electronic components especially ICs. For smaller foundries who do not meet all the specification, if they get hand to the design of the circuit layout, they can produce the IC similar to the one developed by original component manufacturers (OCMs) and sell them into market without consent of OCM and without performing standardized tests. Also, the malicious or untrusted foundries can copy and clone the netlist of devices and sell under the name of OCM. Various types of counterfeit ICs – recycled, remarked, overproduced, out-of-spec/defective, cloned, forged documentation, and tampered – have made the supply chain vulnerable to various attacks. However, due to the lack of efficient detection and avoidance techniques, many more instances of counterfeit ICs evade detection than those that are actually detected. Over last few years the rise in the incidents of IC counterfeit has propelled the designer and researchers to develop various testing and standardization methods in place. However, many of these methods can be cumbersome and have huge implications and costs for their implementations. This can be discouraging for the users and OCMs to implement these methods in their product.In this dissertation, we have worked on the implementation of methodology that can be used to generate fingerprints or signatures form the ICs which can be used for the purpose of their authentication. The method adopted in this work is based on the idea of exploiting the manufacturing induced process variations by implementing the electromagnetic (EM) waves. The manufacturing variability of various devices under test have been exploited through use of EM waves. The use of EM waves have been studied in detail along with the various implications of using and generating them in the IC. This dissertation uses two methodologies to utilize EM wave for the exploitation of the process variation effects. The exploited process variation effects have been subjected to mathematical treatments to quantify the response statistically.The following tasks have been implemented in this work:• State of the art study of IC counterfeiting and IC cloning (on both risk and mitigation techniques).• Measurement set-up: Component choices, board measurement development.• Circuit configuration to maximize the measurement sensitivity.• Measurement campaigns using different approaches (RF).• Measurement Exploitation in order to extract authentication information from the measurement.This work has focused on using two different semiconductor devices i.e. FPGA and microcontrollers. These are highly used devices and find their application in various domains. The statistical computation after mathematical treatment of responses, gives the error rate which determines the efficiency of the methodologies adopted.