Injection de fautes par impulsion dans le susbstrat : modélisation

Body biasing fault injection : enhancements, analysis modeling, and simulation

• Auteur / Autrice : Geoffrey Chancel
• Direction : Philippe Maurine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Nouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Danger, Jean-Marc Gallière
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Max Dutertre, Giorgio Di Natale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Modélisation des données (informatique)

Dispositifs de sécurité

Mots clés libres

Sécurité Matérielle

Attaques par faute

Modélisation

Fault attacks

Hardware Security

Modelisation

Résumé

Ces dernières décennies, les méthodes d'injection de fautes ont été étudiées de manière approfondie.De nombreuses approches ont vu le jour, toutes utilisant diverses grandeurs physiques dans le butde perturber le comportement des circuits intégrés ciblés. On peut notamment identifier les champsélectromagnétiques permettant de créer des courants parasites dans les circuits, connu sous le nomd'injection de fautes par impulsion électromagnétique. De plus, il existe une technique utilisant lesémissions de photons produites grâce au laser, tirant profit de l'effet photoélectrique du silicium,connues sous le nom d'injection de fautes par impulsion laser. Ensuite, on trouve des méthodesplus élémentaires, tirant parti de la perturbation des signaux d'alimentation ou d'horloge. Celle-cicréent des comportements indésirables exploitables, communément appelés injection de fautespar ''glitch''. Enfin, on peut identifier la polarisation transitoire du substrat des circuits intégrés,aussi connue sous le nom d'injection de fautes par impulsion dans le substrat. Parmi ces méthodes,l'injection par impulsions laser, par impulsions électromagnétiques et par glitch ont été étudiées en détail. En revanche, l'injection de fautes par impulsion dans le substrat n'a pas eu ce traitement. Parconséquent, aucune contremesure dédiée n'a encore été proposée pour prévenir l'utilisation de cettetechnique.Dans ce contexte, mon travail de thèse de doctorat vise à apporter des éléments de réponse concernantl'injection de fautes par impulsion dans le substrat. Dans un premier temps, je propose desaméliorations des plateformes préexistantes, permettant de réaliser des expérimentations plus reproductibleset plus fiables. Ensuite, je démontre la faisabilité d'une attaque par faute différentiellequi s'appuie sur un critère contraignant. Ultérieurement, je présente une nouvelle méthodologie demodélisation et de simulation de l'injection de fautes par impulsion dans le substrat. Cette méthode,fondée sur de précédents travaux réalisés concernant l'injection de fautes par impulsion électromagnétique, permet d'avoir une compréhension sur les comportements internes d'un circuit soumis àl'injection par impulsion dans le substrat. Enfin, j'étudie l'intérêt d'affiner le substrat des circuits intégrésdestinés à être utilisés avec l'injection par impulsion dans le substrat, ce qui permet de prévoirles conséquences de cette pratique sur la méthode d'injection de fautes.

Fault injection techniques have been extensively developed and studied in the past decades. Variousapproaches have emerged, using different physical quantities' manipulation to disturb integrated circuitsbehavior, such as electromagnetic fields to create parasitic currents in the IC targets, also knownas electromagnetic fault injection. Additionally, light emission with the use of laser, leveraging thesilicon photoelectric effect, also known as laser fault injection. Then, simple power supply voltageor clock signal manipulations, enabling to run integrated circuits outside their specifications, thusprovoking exploitable unexpected behavior, known as glitch fault injection. Eventually, biasing thesubstrate of integrated circuits with the help of fast high-voltage pulses, known as body biasing injection,not to cite them all. Among these methods, laser fault injection, electromagnetic fault injectionor glitch fault injection were extensively studied. Therefore, countermeasures allowing to protectand secure integrated circuits were proposed for most of them. However, body biasing injection didnot get this attention. Consequently, no specific countermeasure or understanding of this techniquewere highlighted.In this context, my thesis' work brings some answers and insights concerning body biasing injection.I propose various enhancements of the state-of-the-art way of practicing body biasing injection,thus enabling more repeatable and more reliable experiments. Subsequently, I demonstrate the feasibility,thanks to body biasing injection, of a differential fault attack relying on a constraining single-bitfault model. Then, I introduce a new modeling and simulation flow dedicated to the study of bodybiasing injection. This methodology, based on previous works on electromagnetic fault injection,allows understanding the effect of body biasing injection on integrated circuits, going from electriccharge behavior, to logic gates disturbance and a fault model. Eventually, I present the study ofthe interest in thinning the substrate of integrated circuits for the practice of body biasing injection,illustrating the consequences of such a practice on the efficiency of this fault injection method.