ASSESSING AND IMPROVING THE RELIABILITY AND SECURITY OF CIRCUITS AFFECTED BY NATURAL AND INTENTIONAL FAULTS

The reliability and security vulnerability of modern electronic systems have emerged as concerns due to the increasing natural and intentional interferences. Radiation of high-energy charged particles generated from space environment or packaging materials on the substrate of integrated circuits results in natural faults. As the technology scales down, factors such as critical charge, voltage supply, and frequency change tremendously that increase the sensitivity of integrated circuits to natural faults even for systems operating at sea level. An attacker is able to simulate the impact of natural faults and compromise the circuit or cause denial of service. Therefore, instead of utilizing different approaches to counteract the effect of natural and intentional faults, a unified countermeasure is introduced. The unified countermeasure thwarts the impact of both reliability and security threats without paying the price of more area overhead, power consumption, and required time. This thesis first proposes a systematic analysis method to assess the probability of natural faults propagating the circuit and eventually being latched. The second part of this work focuses on the methods to thwart the impact of intentional faults in cryptosystems. We exploit a power-based side-channel analysis method to analyze the effect of the existing fault detection methods for natural faults on fault attack. Countermeasures for different security threats on cryptosystems are investigated separately. Furthermore, a new micro-architecture is proposed to thwart the combination of fault attacks and side-channel attacks, reducing the fault bypass rate and slowing down the key retrieval speed. The third contribution of this thesis is a unified countermeasure to thwart the impact of both natural faults and attacks. The unified countermeasure utilizes dynamically alternated multiple generator polynomials for the cyclic redundancy check (CRC) codec to resist the reverse engineering attack

Early Dependability Analysis of FPGA-Based Space Applications Using Formal Verification

SRAM-based FPGAs are increasingly attractive in the aerospace industry for their field programmability and low cost. Unfortunately, they suffer from cosmic radiation induced Single Event Effects (SEEs). In safety-critical applications, the dependability of the design is a prime concern since failures may have catastrophic consequences. Hence, an early analysis of dependability of such safety-critical applications will enable designers to develop systems that meet high dependability requirements, such as the DO-254 standard. In this thesis, we propose a high-level dependability and performability analysis methodology based on probabilistic model checking. Compared to the pen-and-pencil and discrete-event simulation approach, our methodology is more accurate due to the use of an automated formal verification technique. Moreover, compared to fault injection or beam testing, analysis at early design stages can guide designers to build more reliable designs reducing the overall cost and effort. The proposed methodology can perform three different types of analysis: evaluation of available design options, optimization of scrub intervals while satisfying its design assurance level requirements, and optimal partitioning of Triple-Modular Redundant (TMR) Systems. Such analysis can also guide designers to adopt proper mitigation technique(s), such as rescheduling, TMR, TMR with less frequent scrubs, or even can help to decide the number of TMR partitions for a given scrub intervals. Starting from a high-level description of a system, based on the preferred analysis, a Markov model or Markov (reward) model is constructed from the extracted Control Data Flow Graph (CDFG) and the failure/mitigation parameters for the targeted FPGA. Such modeling and exhaustive analysis elaborated using a probabilistic model checking technique can capture all the failures and repairs possible (according to some general model) in the system within the radiation environment. To illustrate the applicability of the proposed approach, we present our quantitative analysis obtained from DSP benchmark circuits

Soft Error Analysis and Mitigation at High Abstraction Levels

Radiation-induced soft errors, as one of the major reliability challenges in future technology nodes, have to be carefully taken into consideration in the design space exploration. This thesis presents several novel and efficient techniques for soft error evaluation and mitigation at high abstract levels, i.e. from register transfer level up to behavioral algorithmic level. The effectiveness of proposed techniques is demonstrated with extensive synthesis experiments

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