Système avancé de cryptographie pour l'internet des objets ultra-basse consommation

An innovative lightweight cryptography system for Internet-of-Things ULP applications

• Auteur / Autrice : Duy-Hieu Bui
• Direction : Édith Beigné, Xuan-Tu Tran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 17/01/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Trường Đại học Quốc Gia Hà Nội
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Régis Leveugle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Max Dutertre, Nadine Azemard-Crestani

Mots clés

Mots clés contrôlés

FD-SOI (transistors)

Circuits intégrés à faible consommation

Informatique dans les nuages

Cryptographie

Internet des objets

Mots clés libres

Basse consommation

Cryptographie

Système embarqué

Internet des objets

Low power

Cryptography

Embedded system

Internet of things

Résumé

L'Internet des objets (IoT : Internet-of-Things) a été favorisé par les progrès accélérés dans les technologies de communication, les technologies de calcul, les technologies de capteurs, l'intelligence artificielle, l'informatique en nuage et les technologies des semi-conducteurs. En générale, l'IoT utilise l'informatique en nuage pour traitant les données, l'infrastructure de communication (y compris l’Internet) et des nœuds de capteurs pour collecter des données, de les envoyer de l'infrastructure du réseau à l’Internet, et de recevoir des commandes pour réagir à l'environnement. Au cours de ses opérations, l'IoT peut collecter, transmettre et traiter des données secrètes ou privées, ce qui pose des problèmes de sécurité. La mise en œuvre des mécanismes de sécurité pour l'IoT est un défi, car les organisations de l’IoT incluent des millions de périphériques intégrés à plusieurs couches, chaque couche ayant des capacités de calcul et des exigences de sécurité différentes. En outre, les nœuds de capteurs dans l'IoT sont conçus pour être des périphériques limités par une batterie, avec un budget de puissance, des calculs et une empreinte mémoires limités pour réduire les coûts d’implémentation. L'implémentation de mécanismes de sécurité sur ces appareils rencontre même plus de défis. Ce travail est donc motivé pour se concentrer sur l’implémentation du cryptage des données afin de protéger les nœuds et les systèmes de capteurs IoT en tenant compte du coût matériel, du débit et de la consommation d’énergie. Pour commencer, un crypto-accélérateur de chiffrement de bloc ultra-basse consommation avec des paramètres configurables est proposé et implémenté dans la technologie FDSOI ST 28 nm dans une puce de test, qui est appelée SNACk, avec deux modules de cryptographie : AES et PRESENT. L’AES est un algorithme de cryptage de données largement utilisé pour l’Internet et utilisé actuellement pour les nouvelles propositions IoT, tandis que le PRESENT est un algorithme plus léger offrant un niveau de sécurité réduit mais nécessitant une zone matérielle beaucoup plus réduite et une consommation très bas. Le module AES est une architecture de chemin de données 32 bits contenant plusieurs stratégies d'optimisation prenant en charge plusieurs niveaux de sécurité, allant des clés 128 bits aux clés 256 bits. Le module PRESENT contient une architecture à base arrondie de 64 bits pour optimiser son débit. Les résultats mesurés pendant cette thèse indiquent que ce crypto-accélérateur peut fournir un débit moyen (environ 20 Mbits/s au 10 MHz) tout en consommant moins de 20 µW dans des conditions normales et une sous-pJ d’énergie par bit. Cependant, la limitation du crypto-accélérateur réside dans le fait que les données doivent être lues dans le crypto-accélérateur et réécrites en mémoire, ce qui augmente la consommation d'énergie. Après cela, afin de fournir un haut niveau de sécurité avec une flexibilité et une possibilité de configuration pour s’adapter aux nouvelles normes et pour atténuer les nouvelles attaques, ces travaux portent sur une approche novatrice de mise en œuvre de l’algorithme de cryptographie utilisant la nouvelle SRAM proposée en mémoire. Le calcul en mémoire SRAM peut fournir des solutions reconfigurables pour mettre en œuvre diverses primitives de sécurité en programmant les opérations de la mémoire. Le schéma proposé consiste à effectuer le chiffrement dans la mémoire en utilisant la technologie Calcul en Mémoire (In-Memory-Computing). Ce travail illustre deux mappages possibles de l'AES et du PRESENT à l'aide du calcul en mémoire.

The Internet of Things (IoT) has been fostered by accelerated advancements in communication technologies, computation technologies,sensor technologies, artificial intelligence, cloud computing, and semiconductor technologies. In general, IoT contains cloud computing to do data processing, communication infrastructure including the Internet, and sensor nodes which can collect data, send them through the network infrastructure to the Internet, and receive controls to react to the environment. During its operations, IoT may collect, transmit and process secret data, which raise security problems. Implementing security mechanisms for IoT is challenging because IoT organizations include millions of devices integrated at multiple layers, whereas each layer has different computation capabilities and security requirements. Furthermore, sensor nodes in IoT are intended to be battery-based constrained devices with limited power budget, limited computation, and limited memory footprint to reduce costs. Implementing security mechanisms on these devices even encounters more challenges. This work is therefore motivated to focus on implementing data encryption to protect IoT sensor nodes and systems with the consideration of hardware cost, throughput and power/energy consumption. To begin with, a ultra-low-power block cipher crypto-accelerator with configurable parameters is proposed and implemented in ST 28nm FDSOI technology in SNACk test chip with two cryptography modules: AES and PRESENT. AES is a widely used data encryption algorithm for the Internet and currently used for new IoT proposals, while PRESENT is a lightweight algorithm which comes up with reduced security level but requires with much smaller hardware area and lower consumption. The AES module is a 32-bit datapath architecture containing multiple optimization strategies supporting multiple security levels from 128-bit keys up to 256-bit keys. The PRESENT module contains a 64-bit round-based architecture to maximize its throughput. The measured results indicate that this crypto-accelerator can provide medium throughput (around 20Mbps at 10MHz) while consumes less than 20uW at normal condition and sub-pJ of energy per bit. However, the limitation of crypto-accelerator is that the data has to be read into the crypto-accelerator and write back to memory which increases the power consumption. After that, to provide a high level of security with flexibility and configurability to adapt to new standards and to mitigate to new attacks, this work looks into an innovative approach to implement the cryptography algorithm which uses the new proposed In-Memory-Computing SRAM. In-Memory Computing SRAM can provide reconfigurable solutions to implement various security primitives by programming the memory's operations. The proposed scheme is to carry out the encryption in the memory using the In-Memory-Computing technology. This work demonstrates two possible mapping of AES and PRESENT using In-Memory Computing.