Physical Fault Injection and Side-Channel Attacks on Mobile Devices:A Comprehensive Analysis

Today's mobile devices contain densely packaged system-on-chips (SoCs) with multi-core, high-frequency CPUs and complex pipelines. In parallel, sophisticated SoC-assisted security mechanisms have become commonplace for protecting device data, such as trusted execution environments, full-disk and file-based encryption. Both advancements have dramatically complicated the use of conventional physical attacks, requiring the development of specialised attacks. In this survey, we consolidate recent developments in physical fault injections and side-channel attacks on modern mobile devices. In total, we comprehensively survey over 50 fault injection and side-channel attack papers published between 2009-2021. We evaluate the prevailing methods, compare existing attacks using a common set of criteria, identify several challenges and shortcomings, and suggest future directions of research

Dynamic Testing of an SRAM-Based FPGA by Time-Resolved Laser Fault Injection

International audienceThis paper presents principles and results of dynamic testing of an SRAM-based FPGA using time- resolved fault injection with a pulsed laser. The synchronization setup and experimental procedure are detailed. Fault injection results obtained with a DES crypto-core application implemented on a Xilinx Virtex II are discussed

Asynchronous designs on FPGA with soft error tolerance for security algorithms

Asynchronous methodologies, such as Null Convention Logic (NCL), have tremendous potential in implementing digital logic. It is essential to design complex asynchronous circuits using commercial Electronic Design Automation (EDA) tools. The main focus of this thesis is to design NCL circuits using VHDL and implementing them on FPGAs. The major contributions of this thesis include: 1) Developing a methodology of designing NCL circuits with VHDL and applying it successfully to all practical designs in this thesis. 2) As an example, the NCL circuit for DES (Data Encryption Standard) algorithm has been designed and simulated using VHDL and the implementation issues on various FPGAs (Xilinx and Altera) have been investigated. Modification of the design has been done to minimize the amount of logic used. 3) An effective soft error tolerant scheme for asynchronous circuits on FPGAs is proposed, and successfully verified through software simulation and hardware implementation by introducing it into a DES round. This thesis provides a starting point for further investigation of NCL circuits, in terms of VHDL modeling, FPGA implementations, and soft error tolerance

Approximate Computing Strategies for Low-Overhead Fault Tolerance in Safety-Critical Applications

This work studies the reliability of embedded systems with approximate computing on software and hardware designs. It presents approximate computing methods and proposes approximate fault tolerance techniques applied to programmable hardware and embedded software to provide reliability at low computational costs. The objective of this thesis is the development of fault tolerance techniques based on approximate computing and proving that approximate computing can be applied to most safety-critical systems. It starts with an experimental analysis of the reliability of embedded systems used at safety-critical projects. Results show that the reliability of single-core systems, and types of errors they are sensitive to, differ from multicore processing systems. The usage of an operating system and two different parallel programming APIs are also evaluated. Fault injection experiment results show that embedded Linux has a critical impact on the system’s reliability and the types of errors to which it is most sensitive. Traditional fault tolerance techniques and parallel variants of them are evaluated for their fault-masking capability on multicore systems. The work shows that parallel fault tolerance can indeed not only improve execution time but also fault-masking. Lastly, an approximate parallel fault tolerance technique is proposed, where the system abandons faulty execution tasks. This first approximate computing approach to fault tolerance in parallel processing systems was able to improve the reliability and the fault-masking capability of the techniques, significantly reducing errors that would cause system crashes. Inspired by the conflict between the improvements provided by approximate computing and the safety-critical systems requirements, this work presents an analysis of the applicability of approximate computing techniques on critical systems. The proposed techniques are tested under simulation, emulation, and laser fault injection experiments. Results show that approximate computing algorithms do have a particular behavior, different from traditional algorithms. The approximation techniques presented and proposed in this work are also used to develop fault tolerance techniques. Results show that those new approximate fault tolerance techniques are less costly than traditional ones and able to achieve almost the same level of error masking.Este trabalho estuda a confiabilidade de sistemas embarcados com computação aproximada em software e projetos de hardware. Ele apresenta métodos de computação aproximada e técnicas aproximadas para tolerância a falhas em hardware programável e software embarcado que provêem alta confiabilidade a baixos custos computacionais. O objetivo desta tese é o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas baseadas em computação aproximada e provar que este paradigma pode ser usado em sistemas críticos. O texto começa com uma análise da confiabilidade de sistemas embarcados usados em sistemas de tolerância crítica. Os resultados mostram que a resiliência de sistemas singlecore, e os tipos de erros aos quais eles são mais sensíveis, é diferente dos multi-core. O uso de sistemas operacionais também é analisado, assim como duas APIs de programação paralela. Experimentos de injeção de falhas mostram que o uso de Linux embarcado tem um forte impacto na confiabilidade do sistema. Técnicas tradicionais de tolerância a falhas e variações paralelas das mesmas são avaliadas. O trabalho mostra que técnicas de tolerância a falhas paralelas podem de fato melhorar não apenas o tempo de execução da aplicação, mas também seu mascaramento de erros. Por fim, uma técnica de tolerância a falhas paralela aproximada é proposta, onde o sistema abandona instâncias de execuções que apresentam falhas. Esta primeira experiência com computação aproximada foi capaz de melhorar a confiabilidade das técnicas previamente apresentadas, reduzindo significativamente a ocorrência de erros que provocam um crash total do sistema. Inspirado pelo conflito entre as melhorias trazidas pela computação aproximada e os requisitos dos sistemas críticos, este trabalho apresenta uma análise da aplicabilidade de computação aproximada nestes sistemas. As técnicas propostas são testadas sob experimentos de injeção de falhas por simulação, emulação e laser. Os resultados destes experimentos mostram que algoritmos aproximados possuem um comportamento particular que lhes é inerente, diferente dos tradicionais. As técnicas de aproximação apresentadas e propostas no trabalho são também utilizadas para o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas aproximadas. Estas novas técnicas possuem um custo menor que as tradicionais e são capazes de atingir o mesmo nível de mascaramento de erros

Développement d'un outil de prédiction du comportement d'un circuit intégré sous impact laser en technologie CMOS

Ce travail porte sur l analyse et l étude du comportement de circuits intégrés en technologie CMOS soumis à un impact laser. Une méthodologie d implémentation d un impact laser a été développée et améliorée. Ainsi, elle est applicable à n importe quelle description électrique d un circuit CMOS, qu il soit digital ou analogique. Ce procédé est conçu pour permettre aux concepteurs de circuits intégrés pouvant être soumis à des attaques laser, de tester leur circuit en simulation avant leur fabrication et de démontrer leur robustesse.Notre étude s est focalisée sur le développement d un outil de simulation intégrant un modèle électrique de l impact laser sur les transistors MOS afin de reproduire de façon qualitative le comportement du circuit face à un impact laser (attaque semi-invasive en face arrière du circuit), et ce quelques soient ses propriétés physiques.Une première partie d état de l art est consacrée à la synthèse des différentes attaques sur circuits sécurisées que l on peut rencontrer dans le domaine de la microélectronique, telles que les attaques semi-invasives, non invasives ou invasives par exemple. Une seconde partie théorique dédiée à l interaction laser-silicium au niveau physique nous permet d étudier les différents acteurs mis en jeu (propriétés physiques du laser puissance, diamètre et profil du faisceau), avant de les importer comme paramètres dans le domaine électrique.Cette étude se poursuit alors par l élaboration d un modèle électrique et d une méthodologie de simulation dont le but est de permettre de reproduire le comportement de n importe quel circuit impacté par un laser. Le flot de modélisation passe ainsi en revue l ensemble des paramètres contrôlables en entrée, qu il s agisse des propriétés physiques du laser, traduites dans le domaine électrique, ou encore de la réalité géométrique du circuit impacté, quel que soit sa complexité. Par ailleurs, la flexibilité de cette approche permet de s adapter à toute évolution du modèle de l impact laser en lui-même. Il est ainsi possible de simuler un impact intégrant ou non tout ou partie des phénomènes parasites déclenchés par le photocourant. Enfin, il couvre aussi bien des analyses de comportement dans le domaine statique, que dans celui temporel, où la durée d impulsion du laser prend toute son importance.Afin de démontrer la cohérence de cette méthodologie face à nos attentes théoriques, le comportement de transistors NMOS, PMOS et un inverseur CMOS ont été étudiés au niveau simulation. Cette étude préliminaire nous a permis de calibrer et de valider notre modèle et sa méthodologie d utilisation avec la théorie attendue: création d un photocourant proportionnel au potentiel appliqué sur la jonction de drain et couplé au potentiel photoélectrique ainsi qu à la surface impactée, déclenchement des bipolaires parasites latéraux, etc . L analyse sur un inverseur CMOS bufférisé ou non nous donne encore plus d informations quant aux analyses dynamiques ou statiques : un impact sur un état statique (0 ou 1) ne peut entraîner que des fautes fonctionnelles, alors qu un impact sur une transition ralentit ou accélère le signal en sortie, au risque de générer une faute fonctionnelle.Enfin, l étude de différents circuits complexes sur silicium face à plusieurs types de faisceau laser nous a permis de confronter notre méthodologie à la mesure. Une chaîne d inverseurs, une bascule de type D, et un circuit de verrouillage ont ainsi été impactés. Les résultats observés en simulation sont cohérents avec la mesure, notamment du point de vue comportemental et fonctionnel.This present work deals with the analysis and study of the integrated circuits behavior in CMOS technology under laser injection. An implementation methodology of a laser impact has been developed and optimized. The study has been focused on the development of a simulation tool integrating an electrical model of a laser impact on MOS transistor. This allows to reproduce in a qualitative way the behavior of a circuit under laser impact (semi-invasive attack on rear face of the circuit), whatever the physical properties of the laser.A preliminary study allowed us to calibrate a new electrical model and its use methodology based on the expected theory: photocurrent creation proportional to the applied potential on the drain junction and linked to the photoelectrical potential with the impacted area; triggering of the lateral parasitic bipolar transistors.The analysis of different complex circuits on silicon under different kind of laser beam allowed us also to validate the developed tool and its implementation methodology: it will help designers to prevent or predict such behavior of their circuits under laser attack, allowing them to find solutions of countermeasures and thus making their integrated circuits more robust in critical applications.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables