Modelling and characterization of physically unclonable functions

Modélisation et caractérisation des fonctions non clonables physiquement Les fonctions non clonables physiquement, appelées PUF (Physically Unclonable Functions), représentent une technologie innovante qui permet de résoudre certains problèmes de sécurité et d’identification. Comme pour les empreintes humaines, les PUF permettent de différencier des circuits électroniques car chaque exemplaire produit une signature unique. Ces fonctions peuvent être utilisées pour des applications telles que l’authentification et la génération de clés cryptographiques. La propriété principale que l’on cherche à obtenir avec les PUF est la génération d’une réponse unique qui varie de façon aléatoire d’un circuit à un autre, sans la possibilité de la prédire. Une autre propriété de ces PUF est de toujours reproduire, quel que soit la variation de l’environnement de test, la même réponse à un même défi d’entrée. En plus, une fonction PUF doit être sécurisée contre les attaques qui permettraient de révéler sa réponse. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux PUF en silicium profitant des variations inhérentes aux technologies de fabrication des circuits intégrés CMOS. Nous présentons les principales architectures de PUF, leurs propriétés, et les techniques mises en œuvre pour les utiliser dans des applications de sécurité. Nous présentons d’abord deux nouvelles structures de PUF. La première structure appelée “Loop PUF” est basée sur des chaînes d’éléments à retard contrôlés. Elle consiste à comparer les délais de chaînes à retard identiques qui sont mises en série. Les points forts de cette structure sont la facilité de sa mise en œuvre sur les deux plates-formes ASIC et FPGA, la grande flexibilité pour l’authentification des circuits intégrés ainsi que la génération de clés de chiffrement. La deuxième structure proposée “TERO PUF” est basée sur le principe de cellules temporairement oscillantes. Elle exploite la métastabilité oscillatoire d’éléments couplés en croix, et peut aussi être utilisée pour un générateur vrai d’aléas (TRNG). Plus précisément, la réponse du PUF profite de la métastabilité oscillatoire introduite par une bascule SR lorsque les deux entrées S et R sont connectées au même signal d’entrée. Les résultats expérimentaux montrent le niveau de performances élevé des deux structures de PUF proposées. Ensuite, afin de comparer équitablement la qualité des différentes PUF à retard, nous proposons une méthode de caractérisation spécifique. Elle est basée sur des mesures statistiques des éléments à retard. Le principal avantage de cette méthode vient de sa capacité à permettre au concepteur d’être sûr que la fonction PUF aura les performances attendues avant sa mise en œuvre et sa fabrication. Enfin, en se basant sur les propriétés de non clonabilité et de l’imprévisibilité des PUF, nous présentons de nouvelles techniques d’authentification et de génération de clés de chiffrement en utilisant la “loop PUF” proposée. Les résultats théoriques et expérimentaux montrent l’efficacité des techniques introduites en termes de complexité et de fiabilité