Pulsed Electromagnetic Fault Injection : Security Assessment and Mitigation Strategies for FPGA-based Architectures

Injection de Fautes par Impulsions Électromagnétiques : Evaluation de Sécurité et Stratégies de Contre-Mesures sur des Architectures à base de FPGA Avec l'intégration croissante des FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) dans des systèmes sensibles à la sécurité, la question de leur robustesse face aux attaques physiques devient cruciale. Parmi les techniques les plus préoccupantes figure l'injection de fautes par impulsions électromagnétiques (EMFI), qui se distingue par sa facilité de mise en œuvre, son caractère non-invasif et sa grande précision spatio-temporelle. Elle permet à un attaquant de perturber délibérément le fonctionnement du circuit pour en extraire des données confidentielles. Il devient donc essentiel d'évaluer, dès les premières étapes de la conception, la vulnérabilité des circuits à ces attaques et de comprendre les comportements fautés afin de concevoir des contre-mesures efficaces. La conception de protections fiables contre l'EMFI repose sur des modèles de faute réalistes, capables de refléter fidèlement les mécanismes physiques induits. Cependant, les modèles de fautes EMFI existants dans l'état de l'art deviennent moins pertinents lorsqu'ils sont transposés à des structures dont le fonctionnement repose fortement sur la logique combinatoire, comme c'est le cas des oscillateurs en anneau (Ring Oscillators - ROs). Grâce à leur simplicité, leur capacité à exploiter les variations de fabrication et leur facilité d'intégration, les ROs sont fréquemment utilisés dans des primitives de sécurité matérielle, notamment dans les fonctions physiques non-clonables (PUFs), largement reconnues pour l'authentification matérielle sécurisée. Dans ce contexte, cette thèse explore la sensibilité de ces architectures à des attaques EMFI pulsées lorsqu'elles sont implémentées sur des plateformes FPGA modernes. L'objectif est de mieux comprendre l'impact de l'EMFI sur la logique d'un circuit FPGA et de poser les bases de conceptions plus robustes face aux fautes. À travers une série de campagnes expérimentales, nous mettons en évidence un mécanisme de faute récurrent, baptisé verrouillage harmonique, où la fréquence d'oscillation du RO se synchronise de façon stable sur l'un de ses harmoniques impairs suite à l'injection. Ce phénomène dépend fortement des paramètres d'injection, du placement et du routage des ROs, ainsi que des caractéristiques technologiques propres au FPGA ciblé. Nous étudions également l'influence des conditions environnementales (tension d'alimentation, température) et des irradiations en rayons X sur la susceptibilité harmonique des ROs face à l'EMFI. Enfin, l'impact de ce phénomène est analysé sur une architecture PUF à base de ROs, permettant de valider notre modèle de faute et de mieux cerner l'influence des paramètres de conception et d'attaque sur l'efficacité de l'EMFI. Ces résultats ont conduit à la proposition de lignes directrices et de stratégies concrètes pour renforcer la résilience des architectures FPGA face aux attaques par EMFI pulsée.