Automated Debugging Methodology for FPGA-based Systems

Electronic devices make up a vital part of our lives. These are seen from mobiles, laptops, computers, home automation, etc. to name a few. The modern designs constitute billions of transistors. However, with this evolution, ensuring that the devices fulfill the designer’s expectation under variable conditions has also become a great challenge. This requires a lot of design time and effort. Whenever an error is encountered, the process is re-started. Hence, it is desired to minimize the number of spins required to achieve an error-free product, as each spin results in loss of time and effort. Software-based simulation systems present the main technique to ensure the verification of the design before fabrication. However, few design errors (bugs) are likely to escape the simulation process. Such bugs subsequently appear during the post-silicon phase. Finding such bugs is time-consuming due to inherent invisibility of the hardware. Instead of software simulation of the design in the pre-silicon phase, post-silicon techniques permit the designers to verify the functionality through the physical implementations of the design. The main benefit of the methodology is that the implemented design in the post-silicon phase runs many order-of-magnitude faster than its counterpart in pre-silicon. This allows the designers to validate their design more exhaustively. This thesis presents five main contributions to enable a fast and automated debugging solution for reconfigurable hardware. During the research work, we used an obstacle avoidance system for robotic vehicles as a use case to illustrate how to apply the proposed debugging solution in practical environments. The first contribution presents a debugging system capable of providing a lossless trace of debugging data which permits a cycle-accurate replay. This methodology ensures capturing permanent as well as intermittent errors in the implemented design. The contribution also describes a solution to enhance hardware observability. It is proposed to utilize processor-configurable concentration networks, employ debug data compression to transmit the data more efficiently, and partially reconfiguring the debugging system at run-time to save the time required for design re-compilation as well as preserve the timing closure. The second contribution presents a solution for communication-centric designs. Furthermore, solutions for designs with multi-clock domains are also discussed. The third contribution presents a priority-based signal selection methodology to identify the signals which can be more helpful during the debugging process. A connectivity generation tool is also presented which can map the identified signals to the debugging system. The fourth contribution presents an automated error detection solution which can help in capturing the permanent as well as intermittent errors without continuous monitoring of debugging data. The proposed solution works for designs even in the absence of golden reference. The fifth contribution proposes to use artificial intelligence for post-silicon debugging. We presented a novel idea of using a recurrent neural network for debugging when a golden reference is present for training the network. Furthermore, the idea was also extended to designs where golden reference is not present

Remote Attacks on FPGA Hardware

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

Crypto-processeur architecture, programmation et évaluation de la sécurité

Les architectures des processeurs et coprocesseurs cryptographiques se montrent fréquemment vulnérables aux différents types d attaques ; en particulier, celles qui ciblent une révélation des clés chiffrées. Il est bien connu qu une manipulation des clés confidentielles comme des données standards par un processeur peut être considérée comme une menace. Ceci a lieu par exemple lors d un changement du code logiciel (malintentionné ou involontaire) qui peut provoquer que la clé confidentielle sorte en clair de la zone sécurisée. En conséquence, la sécurité de tout le système serait irréparablement menacée. L objectif que nous nous sommes fixé dans le travail présenté, était la recherche d architectures matérielles reconfigurables qui peuvent fournir une sécurité élevée des clés confidentielles pendant leur génération, leur enregistrement et leur échanges en implantant des modes cryptographiques de clés symétriques et des protocoles. La première partie de ce travail est destinée à introduire les connaissances de base de la cryptographie appliquée ainsi que de l électronique pour assurer une bonne compréhension des chapitres suivants. Deuxièmement, nous présentons un état de l art des menaces sur la confidentialité des clés secrètes dans le cas où ces dernières sont stockées et traitées dans un système embarqué. Pour lutter contre les menaces mentionnées, nous proposons alors de nouvelles règles au niveau du design de l architecture qui peuvent augmenter la résistance des processeurs et coprocesseurs cryptographiques contre les attaques logicielles. Ces règles prévoient une séparation des registres dédiés à l enregistrement de clés et ceux dédiés à l enregistrement de données : nous proposons de diviser le système en zones : de données, du chiffreur et des clés et à isoler ces zones les unes des autres au niveau du protocole, du système, de l architecture et au niveau physique. Ensuite, nous présentons un nouveau crypto-processeur intitulé HCrypt, qui intègre ces règles de séparation et qui assure ainsi une gestion sécurisée des clés. Mises à part les instructions relatives à la gestion sécurisée de clés, quelques instructions supplémentaires sont dédiées à une réalisation simple des modes de chiffrement et des protocoles cryptographiques. Dans les chapitres suivants, nous explicitons le fait que les règles de séparation suggérées, peuvent également être étendues à l architecture d un processeur généraliste et coprocesseur. Nous proposons ainsi un crypto-coprocesseur sécurisé qui est en mesure d être utilisé en relation avec d autres processeurs généralistes. Afin de démontrer sa flexibilité, le crypto-coprocesseur est interconnecté avec les processeurs soft-cores de NIOS II, de MicroBlaze et de Cortex M1. Par la suite, la résistance du crypto-processeur par rapport aux attaques DPA est testée. Sur la base de ces analyses, l architecture du processeur HCrypt est modifiée afin de simplifier sa protection contre les attaques par canaux cachés (SCA) et les attaques par injection de fautes (FIA). Nous expliquons aussi le fait qu une réorganisation des blocs au niveau macroarchitecture du processeur HCrypt, augmente la résistance du nouveau processeur HCrypt2 par rapport aux attaques de type DPA et FIA. Nous étudions ensuite les possibilités pour pouvoir reconfigurer dynamiquement les parties sélectionnées de l architecture du processeur crypto-coprocesseur. La reconfiguration dynamique peut être très utile lorsque l algorithme de chiffrement ou ses implantations doivent être changés en raison de l apparition d une vulnérabilité Finalement, la dernière partie de ces travaux de thèse, est destinée à l exécution des tests de fonctionnalité et des optimisations stricts des deux versions du cryptoprocesseur HCryptArchitectures of cryptographic processors and coprocessors are often vulnerable to different kinds of attacks, especially those targeting the disclosure of encryption keys. It is well known that manipulating confidential keys by the processor as ordinary data can represent a threat: a change in the program code (malicious or unintentional) can cause the unencrypted confidential key to leave the security area. This way, the security of the whole system would be irrecoverably compromised. The aim of our work was to search for flexible and reconfigurable hardware architectures, which can provide high security of confidential keys during their generation, storage and exchange while implementing common symmetric key cryptographic modes and protocols. In the first part of the manuscript, we introduce the bases of applied cryptography and of reconfigurable computing that are necessary for better understanding of the work. Second, we present threats to security of confidential keys when stored and processed within an embedded system. To counteract these threats, novel design rules increasing robustness of cryptographic processors and coprocessors against software attacks are presented. The rules suggest separating registers dedicated to key storage from those dedicated to data storage: we propose to partition the system into the data, cipher and key zone and to isolate the zones from each other at protocol, system, architectural and physical levels. Next, we present a novel HCrypt crypto-processor complying with the separation rules and thus ensuring secure key management. Besides instructions dedicated to secure key management, some additional instructions are dedicated to easy realization of block cipher modes and cryptographic protocols in general. In the next part of the manuscript, we show that the proposed separation principles can be extended also to a processor-coprocessor architecture. We propose a secure crypto-coprocessor, which can be used in conjunction with any general-purpose processor. To demonstrate its flexibility, the crypto-coprocessor is interconnected with the NIOS II, MicroBlaze and Cortex M1 soft-core processors. In the following part of the work, we examine the resistance of the HCrypt cryptoprocessor to differential power analysis (DPA) attacks. Following this analysis, we modify the architecture of the HCrypt processor in order to simplify its protection against side channel attacks (SCA) and fault injection attacks (FIA). We show that by rearranging blocks of the HCrypt processor at macroarchitecture level, the new HCrypt2 processor becomes natively more robust to DPA and FIA. Next, we study possibilities of dynamically reconfiguring selected parts of the processor - crypto-coprocessor architecture. The dynamic reconfiguration feature can be very useful when the cipher algorithm or its implementation must be changed in response to appearance of some vulnerability. Finally, the last part of the manuscript is dedicated to thorough testing and optimizations of both versions of the HCrypt crypto-processor. Architectures of crypto-processors and crypto-coprocessors are often vulnerable to software attacks targeting the disclosure of encryption keys. The thesis introduces separation rules enabling crypto-processor/coprocessors to support secure key management. Separation rules are implemented on novel HCrypt crypto-processor resistant to software attacks targetting the disclosure of encryption keysST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF