AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Hardware Trojan Detection Using Machine Learning

The cyber-physical system’s security depends on the software and underlying hardware. In today’s times, securing hardware is difficult because of the globalization of the Integrated circuit’s manufacturing process. The main attack is to insert a “backdoor” that maliciously alters the original circuit’s behaviour. Such a malicious insertion is called a hardware trojan. In this thesis, the Random Forest Model has proposed for hardware trojan detection and this research focuses on improving the detection accuracy of the Random Forest model. The detection technique used the random forest machine learning model, which was trained by using the power traces of the circuit behaviour. The data required for training was obtained from an extensive database by simulating the circuit behaviours with various input vectors. The machine learning model was then compared with the state-of-art models in terms of accuracy in detecting malicious hardware. Our results show that the Random Forest classifier achieves an accuracy of 99.80 percent with a false positive rate (FPR)of 0.009 and a false negative rate (FNR) of 0.038 when the model is created to detect hardware trojans. Furthermore, our research shows that a trained model takes less training time and can be applied to large and complex datasets

Reliability and Security Assessment of Modern Embedded Devices

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

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

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

Developing Trustworthy Hardware with Security-Driven Design and Verification

Over the past several decades, computing hardware has evolved to become smaller, yet more performant and energy-efficient. Unfortunately these advancements have come at a cost of increased complexity, both physically and functionally. Physically, the nanometer-scale transistors used to construct Integrated Circuits (ICs), have become astronomically expensive to fabricate. Functionally, ICs have become increasingly dense and feature rich to optimize application-specific tasks. To cope with these trends, IC designers outsource both fabrication and portions of Register-Transfer Level (RTL) design. Outsourcing, combined with the increased complexity of modern ICs, presents a security risk: we must trust our ICs have been designed and fabricated to specification, i.e., they do not contain any hardware Trojans. Working in a bottom-up fashion, I initially study the threat of outsourcing fabrication. While prior work demonstrates fabrication-time attacks (modifications) on IC layouts, it is unclear what makes a layout vulnerable to attack. To answer this, in my IC Attack Surface (ICAS) work, I develop a framework that quantifies the security of IC layouts. Using ICAS, I show that modern ICs leave a plethora of both placement and routing resources available for attackers to exploit. Next, to plug these gaps, I construct the first routing-centric defense (T-TER) against fabrication-time Trojans. T-TER wraps security-critical interconnects in IC layouts with tamper-evident guard wires to prevent foundry-side attackers from modifying a design. After hardening layouts against fabrication-time attacks, outsourced designs become the most critical threat. To address this, I develop a dynamic verification technique (Bomberman) to vet untrusted third-party RTL hardware for Ticking Timebomb Trojans (TTTs). By targeting a specific type of Trojan behavior, Bomberman does not suffer from false negatives (missed TTTs), and therefore systematically reduces the overall design-time attack surface. Lastly, to generalize the Bomberman approach to automatically discover other behaviorally-defined classes of malicious logic, I adapt coverage-guided software fuzzers to the RTL verification domain. Leveraging software fuzzers for RTL verification enables IC design engineers to optimize test coverage of third-party designs without intimate implementation knowledge. Overall, this dissertation aims to make security a first-class design objective, alongside power, performance, and area, throughout the hardware development process.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/169761/1/trippel_1.pd