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    Ingress of threshold voltage-triggered hardware trojan in the modern FPGA fabric–detection methodology and mitigation

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    The ageing phenomenon of negative bias temperature instability (NBTI) continues to challenge the dynamic thermal management of modern FPGAs. Increased transistor density leads to thermal accumulation and propagates higher and non-uniform temperature variations across the FPGA. This aggravates the impact of NBTI on key PMOS transistor parameters such as threshold voltage and drain current. Where it ages the transistors, with a successive reduction in FPGA lifetime and reliability, it also challenges its security. The ingress of threshold voltage-triggered hardware Trojan, a stealthy and malicious electronic circuit, in the modern FPGA, is one such potential threat that could exploit NBTI and severely affect its performance. The development of an effective and efficient countermeasure against it is, therefore, highly critical. Accordingly, we present a comprehensive FPGA security scheme, comprising novel elements of hardware Trojan infection, detection, and mitigation, to protect FPGA applications against the hardware Trojan. Built around the threat model of a naval warship’s integrated self-protection system (ISPS), we propose a threshold voltage-triggered hardware Trojan that operates in a threshold voltage region of 0.45V to 0.998V, consuming ultra-low power (10.5nW), and remaining stealthy with an area overhead as low as 1.5% for a 28 nm technology node. The hardware Trojan detection sub-scheme provides a unique lightweight threshold voltage-aware sensor with a detection sensitivity of 0.251mV/nA. With fixed and dynamic ring oscillator-based sensor segments, the precise measurement of frequency and delay variations in response to shifts in the threshold voltage of a PMOS transistor is also proposed. Finally, the FPGA security scheme is reinforced with an online transistor dynamic scaling (OTDS) to mitigate the impact of hardware Trojan through run-time tolerant circuitry capable of identifying critical gates with worst-case drain current degradation

    SECURING FPGA SYSTEMS WITH MOVING TARGET DEFENSE MECHANISMS

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    Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) enter a rapid growth era due to their attractive flexibility and CMOS-compatible fabrication process. However, the increasing popularity and usage of FPGAs bring in some security concerns, such as intellectual property privacy, malicious stealthy design modification, and leak of confidential information. To address the security threats on FPGA systems, majority of existing efforts focus on counteracting the reverse engineering attacks on the downloaded FPGA configuration file or the retrieval of authentication code or crypto key stored on the FPGA memory. In this thesis, we extensively investigate new potential attacks originated from the untrusted computer-aided design (CAD) suite for FPGAs. We further propose a series of countermeasures to thwart those attacks. For the scenario of using FPGAs to replace obsolete aging components in legacy systems, we propose a Runtime Pin Grounding (RPG) scheme to ground the unused pins and check the pin status at every clock cycle, and exploit the principle of moving target defense (MTD) to develop a hardware MTD (HMTD) method against hardware Trojan attacks. Our method reduces the hardware Trojan bypass rate by up to 61% over existing solutions at the cost of 0.1% more FPGA utilization. For general FPGA applications, we extend HMTD to a FPGA-oriented MTD (FOMTD) method, which aims for thwarting FPGA tools induced design tampering. Our FOMTD is composed of three defense lines on user constraints file, random design replica selection, and runtime submodule assembling. Theoretical analyses and FPGA emulation results show that proposed FOMTD is capable to tackle three levels’ attacks from malicious FPGA design software suite

    Techniques for Improving Security and Trustworthiness of Integrated Circuits

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    The integrated circuit (IC) development process is becoming increasingly vulnerable to malicious activities because untrusted parties could be involved in this IC development flow. There are four typical problems that impact the security and trustworthiness of ICs used in military, financial, transportation, or other critical systems: (i) Malicious inclusions and alterations, known as hardware Trojans, can be inserted into a design by modifying the design during GDSII development and fabrication. Hardware Trojans in ICs may cause malfunctions, lower the reliability of ICs, leak confidential information to adversaries or even destroy the system under specifically designed conditions. (ii) The number of circuit-related counterfeiting incidents reported by component manufacturers has increased significantly over the past few years with recycled ICs contributing the largest percentage of the total reported counterfeiting incidents. Since these recycled ICs have been used in the field before, the performance and reliability of such ICs has been degraded by aging effects and harsh recycling process. (iii) Reverse engineering (RE) is process of extracting a circuit’s gate-level netlist, and/or inferring its functionality. The RE causes threats to the design because attackers can steal and pirate a design (IP piracy), identify the device technology, or facilitate other hardware attacks. (iv) Traditional tools for uniquely identifying devices are vulnerable to non-invasive or invasive physical attacks. Securing the ID/key is of utmost importance since leakage of even a single device ID/key could be exploited by an adversary to hack other devices or produce pirated devices. In this work, we have developed a series of design and test methodologies to deal with these four challenging issues and thus enhance the security, trustworthiness and reliability of ICs. The techniques proposed in this thesis include: a path delay fingerprinting technique for detection of hardware Trojans, recycled ICs, and other types counterfeit ICs including remarked, overproduced, and cloned ICs with their unique identifiers; a Built-In Self-Authentication (BISA) technique to prevent hardware Trojan insertions by untrusted fabrication facilities; an efficient and secure split manufacturing via Obfuscated Built-In Self-Authentication (OBISA) technique to prevent reverse engineering by untrusted fabrication facilities; and a novel bit selection approach for obtaining the most reliable bits for SRAM-based physical unclonable function (PUF) across environmental conditions and silicon aging effects

    DEFending Integrated Circuit Layouts

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    The production of modern integrated circuit (IC) requires a complex, outsourced supply chain involving computer-aided design (CAD) tools, expert knowledge, and advanced foundries. This complexity has led to various security threats, such as Trojans inserted by adversaries during outsourcing, and physical probing or manipulation of devices at run-time. Our proposed solution, DEFense is an extensible CAD framework for evaluating and proactively mitigating threats to IC at the design-time stage. Our goal with DEFense is to achieve “security closure” at the physical layout level of IC design, prioritizing security alongside traditional power, performance, and area (PPA) objectives. DEFense uses an iterative approach to assess and mitigate vulnerabilities in the IC layout, automating vulnerability assessments and identifying vulnerable active devices and wires. Using the quantified findings, DEFense guides CAD tools to re-arrange placement and routing and use other heuristic means to “DEFend” the layouts. DEFense is independent of back-end CAD tools as it works with the standard DEF format for physical layouts. It is a flexible and extensible scripting framework without the need for modifications to commercial CAD code bases. We are providing the framework to the community and have conducted a thorough experimental investigation into different threats and adversaries at various stages of the IC life-cycle, including Trojan insertion by an untrusted foundry, probing by an untrusted end-user, and intentionally introduced crosstalk by an untrusted foundry

    An Attack and a Defence in the Context of Hardware Security

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    The security of digital Integrated Circuits (ICs) is essential to the security of a computer system that comprises them. We present an improved attack on computer hardware that avoids known defence mechanisms and as such raises awareness for the need of new and improved defence mechanisms. We also present a new defence method for securing computer hardware against modifications from untrusted manufacturing facilities, which is of concern since manufacturing is increasingly outsourced. We improve upon time triggered based backdoors, inserted maliciously in hardware. Prior work has addressed deterministic timer-based triggers — those that are designed to trigger at a specific time with probability 1. We address open questions related to the feasibility of realizing non-deterministic timer-based triggers in hardware — those that are designed with a random component. We show that such timers can be realized in hardware in a manner that is impractical to detect or disable using existing countermeasures of which we are aware. We discuss our design, implementation and analysis of such a timer. We show that the attacker can have surprisingly fine-grained control over the time-window within which the timer triggers. From the attacker’s standpoint our non-deterministic timer has key advantages over traditional timer designs. For example the hardware footprint is smaller which increases the chances of avoiding detection. Also our timer has a much smaller time-window for which a volatile state needs to be maintained which in turn makes the power reset defence mechanisms less effective. Our proposed defence mechanism addresses the threat of a malicious agent at the IC foundry who has information of the circuit and inserts covert, malicious circuitry. The use of 3D IC technology has been suggested as a possible technique to counter this threat. However, to our knowledge, there is no prior work on how such technology can be used effectively. We propose a way to use 3D IC technology for security in this context. Specifically, we obfuscate the circuit by lifting wires to a trusted tier, which is fabricated separately. We provide a precise notion of security that we call k-security and point out that it has interesting similarities and important differences from k-anonymity. We also give a precise specification of the underlying computational problems and their complexity and discuss a comprehensive empirical assessment with benchmark circuits that highlight the security versus cost trade-offs introduced by 3D IC based circuit obfuscation.1 yea

    SOFTWARE IMPLEMENTATION OF IC TOPOLOGY TRANSFORMATIONS FOR PROTECTION AGAINST HARDWARE TROJANS

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    This article focuses on software methods for detecting and preventing the introduction of hardware trojans into the topology of integrated circuits at the design stage. An additional recommendation for typical procedures of receiving GDSII files that significantly complicates the introduction of HTs into the topology is to facilitate detection methods by including special self-test structures created after performing transformations of the initial topology and ensuring the effective examination of ICs at the post-manufacture test stage. The proposed method is based on the analysis of synthesis results at the level of netlist description, its subsequent software conversion into a topological drawing, shifting standard cells and filling created voids with special self-test cells. The method is simple to implement during the topology design stage and can be recommended for use in design centres for machine learning of computer-aided design systems

    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

    Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

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    In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt
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