A Survey of hardware protection of design data for integrated circuits and intellectual properties

International audienceThis paper reviews the current situation regarding design protection in the microelectronics industry. Over the past ten years, the designers of integrated circuits and intellectual properties have faced increasing threats including counterfeiting, reverse-engineering and theft. This is now a critical issue for the microelectronics industry, mainly for fabless designers and intellectual properties designers. Coupled with increasing pressure to decrease the cost and increase the performance of integrated circuits, the design of a secure, efficient, lightweight protection scheme for design data is a serious challenge for the hardware security community. However, several published works propose different ways to protect design data including functional locking, hardware obfuscation, and IC/IP identification. This paper presents a survey of academic research on the protection of design data. It concludes with the need to design an efficient protection scheme based on several properties

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

FPGA-Based PUF Designs: A Comprehensive Review and Comparative Analysis

Field-programmable gate arrays (FPGAs) have firmly established themselves as dynamic platforms for the implementation of physical unclonable functions (PUFs). Their intrinsic reconfigurability and profound implications for enhancing hardware security make them an invaluable asset in this realm. This groundbreaking study not only dives deep into the universe of FPGA-based PUF designs but also offers a comprehensive overview coupled with a discerning comparative analysis. PUFs are the bedrock of device authentication and key generation and the fortification of secure cryptographic protocols. Unleashing the potential of FPGA technology expands the horizons of PUF integration across diverse hardware systems. We set out to understand the fundamental ideas behind PUF and how crucially important it is to current security paradigms. Different FPGA-based PUF solutions, including static, dynamic, and hybrid systems, are closely examined. Each design paradigm is painstakingly examined to reveal its special qualities, functional nuances, and weaknesses. We closely assess a variety of performance metrics, including those related to distinctiveness, reliability, and resilience against hostile threats. We compare various FPGA-based PUF systems against one another to expose their unique advantages and disadvantages. This study provides system designers and security professionals with the crucial information they need to choose the best PUF design for their particular applications. Our paper provides a comprehensive view of the functionality, security capabilities, and prospective applications of FPGA-based PUF systems. The depth of knowledge gained from this research advances the field of hardware security, enabling security practitioners, researchers, and designers to make wise decisions when deciding on and implementing FPGA-based PUF solutions.publishedVersio

Towards Runtime Customizable Trusted Execution Environment on FPGA-SoC

Processing sensitive data and deploying well-designed Intellectual Property (IP) cores on remote Field Programmable Gate Array (FPGA) are prone to private data leakage and IP theft. One effective solution is constructing Trusted Execution Environment (TEE) on FPGA-SoCs (FPGA System on Chips). Researchers have integrated this type TEE with Trusted Platform Module (TPM)-based trusted boot, denoted as FPGA-SoC tbTEE. But there is no effort on secure and trusted runtime customization of FPGA-SoC TEE. This paper extends FPGA-SoC tbTEE to build Runtime Customizable TEE (RCTEE) on FPGA-SoC by additive three major components (our work): 1) CrloadIP, which can load an IP core at runtime such that RCTEE can be adjusted dynamically and securely; 2) CexecIP, which can not only execute an IP core without modifying the operating system of FPGA-SoC TEE, but also prevent insider attacks from executing IPs deployed in RCTEE; 3) CremoAT, which can provide the newly measured RCTEE state and establish a secure and trusted communication path between remote verifiers and RCTEE. We conduct a security analysis of RCTEE and its performance evaluation on Xilinx Zynq UltraScale+ XCZU15EG 2FFVB1156 MPSoC

Securing Critical Infrastructures

1noL'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmentopen677. INGEGNERIA INFORMATInoopenCarelli, Albert

PERFORMANCE ANALYSIS OF WATERMARKING APPROACH FOR VLSI DESIGN INTELLECTUAL PROPERTY PROTECTION

VLSI technology brought revolution in EDA industry. Fabrication of complicated system on a chip is possible by using reusable module called Intellectual Property (IP) core. IP cores that became an integral part of the electronic design industry influenced and had a rather significant and almost incomparable impact with respect to system designing in any chip. IP designs for any organization are imperative; contrary, IP designs that are shared can significantly cause high security risks. The majority of IP’s require time as well as effort for purposes of designing and verification, however there still remains the possibility of these being copied or minor modifications to hide proof of ownership. To overcome this problem watermarking technique is recommended for IP Core protection. Watermark insertion in multilevel increases the security of the system. In this paper the ownership information is inserted in state transition outputs of State Transition Graph employing hierarchical representation of Finite state Machine (FSM) and subsequently in the netlist level by embedding watermark in the delay between the states. Watermark insertion at two levels increases the security of the design. Signature generation uses cryptographic algorithm for enhancing the security of the IP core designs. The experimental results show that performance is improved