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    Design and analysis of an FPGA-based, multi-processor HW-SW system for SCC applications

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    The last 30 years have seen an increase in the complexity of embedded systems from a collection of simple circuits to systems consisting of multiple processors managing a wide variety of devices. This ever increasing complexity frequently requires that high assurance, fail-safe and secure design techniques be applied to protect against possible failures and breaches. To facilitate the implementation of these embedded systems in an efficient way, the FPGA industry recently created new families of devices. New features added to these devices include anti-tamper monitoring, bit stream encryption, and optimized routing architectures for physical and functional logic partition isolation. These devices have high capacities and are capable of implementing processors using their reprogrammable logic structures. This allows for an unprecedented level of hardware and software interaction within a single FPGA chip. High assurance and fail-safe systems can now be implemented within the reconfigurable hardware fabric of an FPGA, enabling these systems to maintain flexibility and achieve high performance while providing a high level of data security. The objective of this thesis was to design and analyze an FPGA-based system containing two isolated, softcore Nios processors that share data through two crypto-engines. FPGA-based single-chip cryptographic (SCC) techniques were employed to ensure proper component isolation when the design is placed on a device supporting the appropriate security primitives. Each crypto-engine is an implementation of the Advanced Encryption Standard (AES), operating in Galois/Counter Mode (GCM) for both encryption and authentication. The features of the microprocessors and architectures of the AES crypto-engines were varied with the goal of determining combinations which best target high performance, minimal hardware usage, or a combination of the two

    Teaching FPGA Security

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    International audienceTeaching FPGA security to electrical engineering students is new at graduate level. It requires a wide field of knowledge and a lot of time. This paper describes a compact course on FPGA security that is available to electrical engineering master's students at the Saint-Etienne Institute of Telecom, University of Lyon, France. It is intended for instructors who wish to design a new course on this topic. The paper reviews the motivation for the course, the pedagogical issues involved, the curriculum, the lab materials and tools used, and the results. Details are provided on two original lab sessions, in particular, a compact lab that requires students to perform differential power analysis of FPGA implementation of the AES symmetric cipher. The paper gives numerous relevant references to allow the reader to prepare a similar curriculum

    Barrel Shifter Physical Unclonable Function Based Encryption

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    Physical Unclonable Functions (PUFs) are circuits designed to extract physical randomness from the underlying circuit. This randomness depends on the manufacturing process. It differs for each device enabling chip-level authentication and key generation applications. We present a protocol utilizing a PUF for secure data transmission. Parties each have a PUF used for encryption and decryption; this is facilitated by constraining the PUF to be commutative. This framework is evaluated with a primitive permutation network - a barrel shifter. Physical randomness is derived from the delay of different shift paths. Barrel shifter (BS) PUF captures the delay of different shift paths. This delay is entangled with message bits before they are sent across an insecure channel. BS-PUF is implemented using transmission gates; their characteristics ensure same-chip reproducibility, a necessary property of PUFs. Post-layout simulations of a common centroid layout 8-level barrel shifter in 0.13 {\mu}m technology assess uniqueness, stability and randomness properties. BS-PUFs pass all selected NIST statistical randomness tests. Stability similar to Ring Oscillator (RO) PUFs under environment variation is shown. Logistic regression of 100,000 plaintext-ciphertext pairs (PCPs) failed to successfully model BS- PUF behavior

    Remote Attacks on FPGA Hardware

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    Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht
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