Injection de fautes par impulsion laser dans des circuits sécurisés

par Alexandre Sarafianos

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Assia Tria.

Soutenue le 17-09-2013

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .


  • Résumé

    De tout temps, l’Homme s’est vu contraint de protéger les fruits de sa créativité et les domaines concernant sa sécurité. Ses informations sont souvent sensibles, dans les relations politiques et commerciales notamment. Aussi, la nécessité de les protéger en les rendant opaques au regard d’adversaires ou de concurrents est vite survenue. Depuis l’Antiquité, les procédés de masquages et enfin de cryptages furent nombreux. Les techniques de protection, depuis l’époque industrielle n’ont fait que croître pour voir apparaître, durant la seconde guerre mondiale, l’archétype des machines électromécaniques (telle l’Enigma), aux performances réputées inviolables. De nos jours, les nouveaux circuits de protection embarquent des procédés aux algorithmes hyper performants. Malgré toutes ces protections, les produits restent la cible privilégiée des « pirates » qui cherchent à casser par tous les moyens les structures de sécurisation, en vue d’utilisations frauduleuses. Ces « hackers » disposent d’une multitude de techniques d’attaques, l’une d’elles utilise un procédé par injections de fautes à l’aide d’un faisceau laser. Dès le début de ce manuscrit (Chapitre I), l’état de l’art de l’injection de fautes sera développé, en se focalisant sur celles faite à l’aide d’un faisceau laser. Ceci aidera à bien appréhender ces procédés intrusifs et ainsi protéger au mieux les microcontrôleurs sécurisés contre ces types d’attaques. Il est nécessaire de bien comprendre les phénomènes physiques mis en jeu lors de l’interaction entre une onde de lumière cohérente, tels les lasers et le matériau physico-chimique qu’est le silicium. De la compréhension de ces phénomènes, une modélisation électrique des portes CMOS sous illumination laser a été mise en oeuvre pour prévoir leurs comportements (chapitre II). De bonnes corrélations ont pu être obtenues entre mesures et simulations électrique. Ces résultats peuvent permettre de tester la sensibilité au laser de portes CMOS au travers de cartographies de simulation. De cette meilleure compréhension des phénomènes et de ce simulateur mis en place, de nombreuses contre-mesures ont été imaginées. Les nouvelles techniques développées, présentées dans ce manuscrit, donnent déjà des pistes pour accroître la robustesse des circuits CMOS contre des attaques laser. D’ores et déjà, ce travail a permis la mise en oeuvre de détecteurs lasers embarqués sur les puces récentes, renforçant ainsi sensiblement la sécurité des produits contre une attaque de type laser.

  • Titre traduit

    Fault injections by laser impulsion in secured microcontrollers


  • Résumé

    From time immemorial, human beings have been forced to protect the fruits of their creativity and ensure the security of their property. This information is very often strategic, in particular in political and commercial relationships. Also the need to protect this information by keeping it concealed in regards to enemies or competitors soon appeared. From ancient times, the methods used for masking and eventually encrypting information were numerous. Protection techniques have only advanced grown since the industrial era and have led to the precursor of electro-mechanic machines (such as the famous Enigma machine). Nowadays, new protection circuitry embeds very efficient algorithms. Despite these protections, they remain a prime target for « attackers » who try to break through all means of securing structures, for fraudulent uses. These « attackers » have a multitude of attack techniques. One of them uses a method of fault injections using a laser beam. From the beginning (Chapter I), this manuscript describes the state of the art of fault injections, focusing on those made using a laser beam. It explains these intrusive methods and provides information on how to protect even the most secure microcontrollers against these types of attacks. It is necessary to understand the physical phenomena involved in the interaction between a coherent light wave, such as lasers, and the physicochemical material that makes up a microcontroller. To better understanding these phenomena, an electrical modeling of CMOS gates under laser illumination was implemented to predict their behavior (Chapter II). Good correlations have been obtained between measurements and electrical simulation. These results can be used to test the laser sensitivity of CMOS gates through electrical cartographies. Due to the better understanding of the phenomena and the developed simulator, many countermeasures have been developed. The techniques presented in this manuscript offer new possibilities to increase the robustness of CMOS circuits against laser attacks. This work has already enabled the implementation of efficient counter-measures on embedded laser sensors and significantly enhanced product security against different laser attacks.


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