Improved Test Pattern Generation for Hardware Trojan Detection using Genetic Algorithm and Boolean Satisfiability

Test generation for \emph{Hardware Trojan Horses} (HTH) detection is extremely challenging, as Trojans are designed to be triggered by very rare logic conditions at internal nodes of the circuit. In this paper, we propose a \textit{Genetic Algorithm} (GA) based Automatic Test Pattern Generation (ATPG) technique, enhanced by automated solution to an associated \textit{Boolean Satisfiability} problem. The main insight is that given a specific internal trigger condition, it is not possible to attack an arbitrary node (payload) of the circuit, as the effect of the induced logic malfunction by the HTH might not get propagated to the output. Based on this observation, a fault simulation based framework has been proposed, which enumerates the feasible payload nodes for a specific triggering condition. Subsequently, a compact set of test vectors is selected based on their ability to detect the logic malfunction at the feasible payload nodes, thus increasing their effectiveness. Test vectors generated by the proposed scheme were found to achieve higher detection coverage over large population of HTH in ISCAS benchmark circuits, compared to a previously proposed logic testing based Trojan detection technique

Scalable diversified antirandom test pattern generation with improved fault coverage for black-box circuit testing

Pseudorandom testing is incapable of utilizing the success rate of preceding test patterns while generating subsequent test patterns. Many redundant test patterns have been generated that increase the test length without any significant increase in the fault coverage. An extension to pseudorandom testing is Antirandom that induces divergent patterns by maximizing the Total Hamming Distance (THD) and Total Cartesian Distance (TCD) of every subsequent test pattern. However, the Antirandom test sequence generation algorithm is prone to unsystematic selection when more than one patterns possess maximum THD and TCD. As a result, diversity among test sequences is compromised, lowering the fault coverage. Therefore, this thesis analyses the effect of Hamming distance in vertical as well as horizontal dimension to enhance diversity among test patterns. First contribution of this thesis is the proposal of a Diverse Antirandom (DAR) test pattern generation algorithm. DAR employs Horizontal Total Hamming Distance (HTHD) along with THD and TCD for diversity enhancement among test patterns as maximum distance test pattern generation. The HTHD and TCD are used as distance metrics that increase computational complexity in divergent test sequence generation. Therefore, the second contribution of this thesis is the proposal of tree traversal search method to maximize diversity among test patterns. The proposed method uses bits mutation of a temporary test pattern following a path leading towards maximization of TCD. Results of fault simulations on benchmark circuits have shown that DAR significantly improves the fault coverage up to 18.3% as compared to Antirandom. Moreover, the computational complexity of Antirandom is reduced from exponential O(2n) to linear O(n). Next, the DARalgorithm is modified to ease hardware implementation for on-chip test generation. Therefore, the third contribution of this thesis is the design of a hardware-oriented DAR (HODA) test pattern generator architecture as an alternative to linear feedback shift register (LFSR) that consists of large number of memory elements. Parallel concatenation of the HODA architecture is designed to reduce the number of memory elements by implementing bit slicing architecture. It has been proven through simulation that the proposed architecture has increased fault coverage up to 66% and a reduction of 46.59% gate count compared to the LFSR. Consequently, this thesis presents uniform and scalable test pattern generator architecture for built-in self-test (BIST) applications and solution to maximum distance test pattern generation for high fault coverage in black-box environment

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen