Concevoir des circuits sécurisés à très faible consommation : une alternative basée sur l’asynchrone

Design of secure and very low power circuits : an asynchronous alternative

• Auteur / Autrice : Grégoire Gimenez
• Direction : Laurent Fesquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Torres
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Renaudin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Sentieys, Sylvain Guilley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs (logiciels)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Circuits asynchrones

Circuits intégrés

Mots clés libres

Circuit intégrés

Basse consommation

Sécurité

Asynchrone

Trng

Puf

Integrated circuit

Low power

Security

Asynchronous

Trng

Puf

Résumé

Depuis ses débuts, l'industrie micro-électronique est confrontée au diptyque réduction des coûts et amélioration des performances. Mais la 3ème révolution digitale et l’avènement du « tous, tout, partout, tout le temps connectés » ont subversivement redéfini les enjeux et les défis auxquels cette industrie fait face. Ainsi la consommation et la sécurité sont des problématiques, hier encore limitées à des applications très spécifiques, qui aujourd'hui gagnent en importance et viennent contraindre la majorité des circuits intégrés. Si pendant des années la loi de Moore et l'échelle de Dennard ont observé une augmentation continue du nombre de calculs par unité d'énergie, celles-ci s'essoufflent et les limites physiques et économiques semblent avoir pris le dessus. Par ailleurs, ces deux enjeux sont très souvent en opposition, et la sécurité ne se fait généralement qu'au détriment de la consommation. Dans ce manuscrit nous proposons d'étudier une alternative se basant sur de la logique dîtes asynchrone, ou sans horloge. Nous nous attachons particulièrement à montrer que le principal a priori vis-à-vis de ces circuits -- leur complexité de conception -- peut être contourné en utilisant les outils de CAO standards, faisant d'eux une solution accessible aux concepteurs synchrones. Nous montrons aussi que ces circuits permettent de construire des primitives de sécurité - PUF et TRNG - très performantes. Nous étudions leurs failles et proposons des contremesures adaptées. Finalement, sans prêcher un changement radical vers les circuits auto-séquencés, nous plaidons pour une intégration progressive de la logique asynchrone en commençant par les éléments sensibles à la consommation et à la sécurité.

Microelectronics industry has always been confronted with the twofold challenge of reducing costs and improving performances. But the 3rd digital revolution and the emergence of the "everyone, everything, everywhere, everytime connected" have subversively redefined the challenges this industry faces. Consumption and security are issues that were once limited to very specific applications, but which are now gaining in importance and constraining the majority of integrated circuits. For years, Moore's law and Dennard's scale have observed a continuous increase in the number of operations per unit of energy, yet these are running out of steam and physical and economic limits seem to prevail. Moreover, these two issues are very often opposed, and security is generally only achieved at the expense of additional consumption. In this manuscript we propose to study an alternative based on so-called asynchronous (or clockless) logic. We show that the main a priori with respect to these circuits - their design complexity - can be circumvented using standard CAD tools, making them an accessible solution for synchronous designers. We also show that these circuits can be used to build high-performance security primitives - PUF and TRNG. We study their flaws and propose adapted countermeasures. Finally, without preaching a radical change towards self-sequencing circuits, we argue for a progressive integration of asynchronous logic, starting by circuits with low-power and security concerns.