Thoroughly analyzing the use of ring oscillators for on-chip hardware trojan detection

International audienceWith the globalization of the IC design flow, structural integrity verification to detect parasitic electrical activities has emerged as an important research domain for testing the genuineness of an Integrated Circuit (IC). Sensors like Ring Oscil-lators (RO) have been proposed to precisely monitor the internal behaviour of the ICs. In this paper we propose an experimental analysis of the impact of parasitic electrical activities on the frequencies of ROs and on the internal supply voltages measured. Our observations lead us to identify the limits of the usability of ROs for practical and embedded detection of Hardware Trojans

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

Within-Die Delay Variation Measurement And Analysis For Emerging Technologies Using An Embedded Test Structure

Both random and systematic within-die process variations (PV) are growing more severe with shrinking geometries and increasing die size. Escalation in the variations in delay and power with reductions in feature size places higher demands on the accuracy of variation models. Their availability can be used to improve yield, and the corresponding profitability and product quality of the fabricated integrated circuits (ICs). Sources of within-die variations include optical source limitations, and layout-based systematic effects (pitch, line-width variability, and microscopic etch loading). Unfortunately, accurate models of within-die PVs are becoming more difficult to derive because of their increasingly sensitivity to design-context. Embedded test structures (ETS) continue to play an important role in the development of models of PVs and as a mechanism to improve correlations between hardware and models. Variations in path delays are increasing with scaling, and are increasingly affected by neighborhood\u27 interactions. In order to fully characterize within-die variations, delays must be measured in the context of actual core-logic macros. Doing so requires the use of an embedded test structure, as opposed to traditional scribe line test structures such as ring oscillators (RO). Accurate measurements of within-die variations can be used, e.g., to better tune models to actual hardware (model-to-hardware correlations). In this research project, I propose an embedded test structure called REBEL (Regional dELay BEhavior) that is designed to measure path delays in a minimally invasive fashion; and its architecture measures the path delays more accurately. Design for manufacture-ability (DFM) analysis is done on the on 90 nm ASIC chips and 28nm Zynq 7000 series FPGA boards. I present ASIC results on within-die path delay variations in a floating-point unit (FPU) fabricated in IBM\u27s 90 nm technology, with 5 pipeline stages, used as a test vehicle in chip experiments carried out at nine different temperature/voltage (TV) corners. Also experimental data has been analyzed for path delay variations in short vs long paths. FPGA results on within-die variation and die-to-die variations on Advanced Encryption System (AES) using single pipelined stage are also presented. Other analysis that have been performed on the calibrated path delays are Flip Flop propagation delays for both rising and falling edge (tpHL and tpLH), uncertainty analysis, path distribution analysis, short versus long path variations and mid-length path within-die variation. I also analyze the impact on delay when the chips are subjected to industrial-level temperature and voltage variations. From the experimental results, it has been established that the proposed REBEL provides capabilities similar to an off-chip logic analyzer, i.e., it is able to capture the temporal behavior of the signal over time, including any static and dynamic hazards that may occur on the tested path. The ASIC results further show that path delays are correlated to the launch-capture (LC) interval used to time them. Therefore, calibration as proposed in this work must be carried out in order to obtain an accurate analysis of within-die variations. Results on ASIC chips show that short paths can vary up to 35% on average, while long paths vary up to 20% at nominal temperature and voltage. A similar trend occurs for within-die variations of mid-length paths where magnitudes reduced to 20% and 5%, respectively. The magnitude of delay variations in both these analyses increase as temperature and voltage are changed to increase performance. The high level of within-die delay variations are undesirable from a design perspective, but they represent a rich source of entropy for applications that make use of \u27secrets\u27 such as authentication, hardware metering and encryption. Physical unclonable functions (PUFs) are a class of primitives that leverage within-die-variations as a means of generating random bit strings for these types of applications, including hardware security and trust. Zynq FPGAs Die-to-Die and within-die variation study shows that on average there is 5% of within-Die variation and the range of die-to-Die variation can go upto 3ns. The die-to-Die variations can be explored in much further detail to study the variations spatial dependance. Additionally, I also carried out research in the area data mining to cater for big data by focusing the work on decision tree classification (DTC) to speed-up the classification step in hardware implementation. For this purpose, I devised a pipelined architecture for the implementation of axis parallel binary decision tree classification for meeting up with the requirements of execution time and minimal resource usage in terms of area. The motivation for this work is that analyzing larger data-sets have created abundant opportunities for algorithmic and architectural developments, and data-mining innovations, thus creating a great demand for faster execution of these algorithms, leading towards improving execution time and resource utilization. Decision trees (DT) have since been implemented in software programs. Though, the software implementation of DTC is highly accurate, the execution times and the resource utilization still require improvement to meet the computational demands in the ever growing industry. On the other hand, hardware implementation of DT has not been thoroughly investigated or reported in detail. Therefore, I propose a hardware acceleration of pipelined architecture that incorporates the parallel approach in acquiring the data by having parallel engines working on different partitions of data independently. Also, each engine is processing the data in a pipelined fashion to utilize the resources more efficiently and reduce the time for processing all the data records/tuples. Experimental results show that our proposed hardware acceleration of classification algorithms has increased throughput, by reducing the number of clock cycles required to process the data and generate the results, and it requires minimal resources hence it is area efficient. This architecture also enables algorithms to scale with increasingly large and complex data sets. We developed the DTC algorithm in detail and explored techniques for adapting it to a hardware implementation successfully. This system is 3.5 times faster than the existing hardware implementation of classification.\u2

Multi-Tenant Cloud FPGA: A Survey on Security

With the exponentially increasing demand for performance and scalability in cloud applications and systems, data center architectures evolved to integrate heterogeneous computing fabrics that leverage CPUs, GPUs, and FPGAs. FPGAs differ from traditional processing platforms such as CPUs and GPUs in that they are reconfigurable at run-time, providing increased and customized performance, flexibility, and acceleration. FPGAs can perform large-scale search optimization, acceleration, and signal processing tasks compared with power, latency, and processing speed. Many public cloud provider giants, including Amazon, Huawei, Microsoft, Alibaba, etc., have already started integrating FPGA-based cloud acceleration services. While FPGAs in cloud applications enable customized acceleration with low power consumption, it also incurs new security challenges that still need to be reviewed. Allowing cloud users to reconfigure the hardware design after deployment could open the backdoors for malicious attackers, potentially putting the cloud platform at risk. Considering security risks, public cloud providers still don't offer multi-tenant FPGA services. This paper analyzes the security concerns of multi-tenant cloud FPGAs, gives a thorough description of the security problems associated with them, and discusses upcoming future challenges in this field of study

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

Methods of Reverse Engineering a Bitstream for Field Programmable Gate Array Protection

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are found in numerous industries including consumer electronics, automotive, military and aerospace, and critical infrastructure. The ability to be reprogrammed as well as large computational power and relatively low price make them a good fit for low-volume applications that cannot justify the Non-Recurring Engineering (NRE) costs associated with producing Application-Specific Integrated Circuits (ASICs). FPGAs however, have seen a variety of security issues stemming from the fact that their configuration files are not inherently protected. This research assesses the feasibility of reverse engineering the bitstream format for a previously unexplored FPGA, as well as the utilization of the knowledge gained during that process to create a bitstream parser and perform a bitstream modification attack. The reverse engineering process utilizes Tool Command Language (TCL) scripts to automate the modification of various configuration options and then synthesize the resulting bitstream. Various configuration options for Input/Output Blocks (IOBs) are mapped to their respective locations in the bitstream and the encoding format for the configuration of several Look-Up Tables (LUTs) is discovered. This information is then utilized to create a bitstream parser that takes a bitstream as an input and outputs configuration information for IOBs. Additionally, a bitstream modification attack is performed that changes the original design logic by modifying the bitstream directly to change the configuration values of a LUT. Both the parser and bitstream modification attack are shown to work validating the information gained through the reverse engineering process