La minimisation de la consommation d'énergie est primordiale lors de la conception de circuits. Cependant, il est nécessaire de s'assurer que cela ne compromette pas la sécurité des circuits. Et ce particulièrement face aux attaques physiques, les appareils mobiles étant des cibles idéales pour ces dernières.Ce travail vise à évaleur l'impact du body-biasing sur la résistance des circuits aux attaques laser. Ces techniques permettent d'ajuster dynamiquement le ratio consommation/performance d'un circuit en modifiant la tension de polarisation des caissons. Le manuscrit se découpe en quatre chapitres. Il commence par un état de l'art. Puis, le banc de test laser utilisé est présenté ainsi que le travail effectué pour permettre son automatisation et une première étude sur l'impact des impulsions laser de courte durée sur les mémoires SRAM. Le troisième chapitre rapporte les résultats d'une campagne d'injection de faute laser sur des mémoires soumises au body-biasing. Celle-ci permet de mettre en évidence une augmentation de la sensibilité au laser des circuits lorsque leur tension d'alimentation est réduite et que le Forward Body Biasing est utilisé. A partir de ces résultats, le dernier chapitre propose une méthode utilisant les capacités basse-consommation d'un microcontrôleur pour durcir un AES matériel. Ces travaux permettent ainsi de montrer que les techniques de réduction de la consommation peuvent constituer un risque sécuritaire potentiel si elle ne sont pas prises en compte correctement. Cependant, les capacités apportées au circuit dans ce cadre peuvent être détournées pour améliorer sa résistance aux attaques. / The increasing complexity of integrated circuits and the explosion of the number of mobile devices today makes power consumption minimisation a priority in circuit design. However, it is necessary to make sure that it does not compromise the security of sensitive circuits. In this regard, physical attacks are a particular concern, as mobile devices are ideal targets for these attacks.This work aims at evaluating the impact of body-biasing on circuit vulnerability to laser attacks. These methods allow to dynamically adjust the performance/consumption ratio of a circuit by modifying the bias voltage of the body. It is divided in four chapters. It begins by introducing cryptography, physical attacks and low power design methods. Then the test bench used during this thesis is described, as well as the developpement work done in order to allow its automation. Then an initial study of the impact of short duration laser pulses on SRAM memories is presented. The third chapter reports the results of a laser fault injection campaign on memories subjected to Forward Body-Biasing. The results show a sensitivy increase of the circuits when supply voltage is lowered and FBB is activated. Based on these results, the last chapter introduces a method using the body-biasing and voltage scaling capabilities of a microcontroller to harden a hardware AES embedded on the latter.In conclusion, this works shows that low-power design methods can induce additional security risks if they are not carefully taken into account. However the additional capabilities of the circuits intended for power consumption reduction can be used in a different way to enhance device resillience to attacks.

Pour les nœuds technologiques avancés, la consommation statique des circuits intégrés est devenue un facteur essentiel de l'industrie microélectronique. L'efficacité énergétique des circuits est mesurée en fonction de leur performance et en fonction de leur consommation statique. Face à l'augmentation de la variabilité des paramètres physiques et environnementaux, la technologie silicium sur isolant complètement désertée (FD-SOI : Fully-Depleted Silicon-On-Insulator) permet de prolonger la loi de Moore dans le domaine nanométrique. Dans ce mémoire une étude statistique de l'énergie des circuits intégrés CMOS-FDSOI est réalisée. Des bibliothèques statistiques qui caractérisent le délai et la puissance statique des transistors CMOS-FDSOI sont mises en place. Compte tenu des avantages liés à la technologie FDSOI, des approches statistiques basées sur les bibliothèques sont appliquées pour estimer le délai et la puissance statique. En conservant l'exactitude de l'estimation, ces approches apportent un gain important en temps CPU. Suite à l'estimation du délai et de la puissance statique, les variations énergétiques des transistors CMOS-FDSOI sont étudiées en fonction de la tension d'alimentation et en fonction de la tension de polarisation. Ainsi, grâce à la détermination d'un compromis Délai-Puissance Statique efficace et l'élaboration d'un flow d'optimisation statistique, l'énergie statique d'un circuit a pu être optimisée. / For advanced technology nodes, static consumption of integrated circuits has become a key factor for the microelectronics industry. Circuit energy efficiency is measured in terms of performance and static consumption. With the increase of physical and environmental parameters, the Fully-Depleted Silicon-on-Insulator technology allows to extend Moore's law in the nanometer domain. In this work, a statistical study of CMOS-FDSOI integrated circuit energy is carried out. Statistical libraries characterizing delay and static power of CMOS-FDSOI transistors are presented. Given the advantages of the FDSOI technology, statistical approaches based on the libraries are applied in order to estimate delay and static power. While maintaining the accuracy of the estimations, these approaches provide a significant gain in CPU time. Following delay and static power estimation, CMOS-FDSOI transistors energy variations are considered according to supply voltage and voltage body biasing. Thus, by determining an efficient Delay-Static Power compromise and the development of a statistical optimization flow, static energy of a circuit has been optimized.

Les technologies SOI partiellement désertées (PD-SOI), permettent de gagner en performances ou en consommation dynamique, par rapport à leur équivalent sur substrat massif (BULK). Leur inconvénient principal est la consommation statique qui est bien supérieure, en raison principalement de l'effet de body flottant de ses transistors. Ce travail propose une technique de réduction de la consommation statique, pour la technologie PD-SOI, basée sur le principe des interrupteurs de puissance. Un nouveau facteur de mérite recherchant le meilleur compromis entre vitesse, courant de fuite et surface est introduit pour la sélection du meilleur interrupteur de puissance. L'interrupteur de puissance proposé apporte par rapport à une solution de référence, et pour le même courant de fuite en mode éteint, une réduction de la résistance équivalente en mode passant de 20%. Les tests comparatifs sur Silicium de blocs LDPC incluant ces montages montrent, entre PD-SOI et BULK, un gain de 20% en vitesse pour la même tension d'alimentation, une réduction de 30% de la consommation dynamique pour la même vitesse et une division par 2 de la consommation statique. Enfin, une bascule de rétention, élément à associer aux interrupteurs de puissance, optimisée pour le PD-SOI, est proposée. Cette bascule est conçue de manière robuste et peu fuyante. / Partially depleted SOI technologies (PD-SOI), offer advantages in terms of speed and dynamic power consumption compared to bulk technologies. The main drawback of the PD-SOI technology is its static power consumption, which is higher than bulk one. It is due to the floating body of its transistors. This work presents a new static power consumption design technique based on power switches. A new factor of merit is introduced selecting the power switch with the best trade-off in terms of leakage current, speed and area. A new power switch brings, in comparison to a reference solution, a reduction of 20% of the ON mode equivalent resistance for the same OFF mode leakage current PD-SOI Silicon validation test chips include LDPC bloc supplied by the proposed solution. Comparing to the bulk technology, a speed gain of 20% is measured for the same voltage supply and a dynamic power consumption reduction of 30% at same speed is achieved. This solution allows reducing by 2 the static power consumption. Finally, a retention flip-flop associated to the implementation of power switches and optimized in PD-SOI is proposed. This flip-flop is designed to be robust with a low leakage current.

The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

The demand to integrate more features has significantly increased the complexity and power consumption of smart portable devices. Therefore extending the battery life-time has become a major challenge and new approaches are required to decrease the power consumed from the source. Traditionally the focus has been on reducing the dynamic power consumption of the digital circuits used in these devices. However as process technologies scale, reducing the dynamic power has become less effective due to the increased impact of the leakage power. Alternatively, a more effective approach to minimize the power consumption is to continuously optimize the ratio of the dynamic and leakage power while delivering the required performance. This works presents a novel power-aware system for dynamic minimum power point tracking of digital loads in portable applications. The system integrates a dc-dc converter power-stage and the supplied digital circuit. The integrated dc-dc converter IC utilizes a mixed-signal current program mode (CPM) controller to regulate the supply voltage of the digital load IC. This embedded converter inherently measures the power consumption of the load in real-time, eliminating the need for additional power sensing circuitry. Based on the information available in the CPM controller, a minimum power point tracking (MiPPT) controller sets the supply and threshold voltages for the digital load to minimize its power consumption while maintaining a target frequency. The 10MHz mixed-signal CPM controlled dc-dc converter and the digital load are fabricated in 0.13µm IBM technology. Experimental results verify that the introduced system results in up to 30% lower power consumption from the battery source.

L'ère des technologies CMOS fortement submicroniques et des circuits à hautes performances temporelles et énergétiques exige la réduction de l'impact sur les circuits : de la fluctuation du procédé de fabrication (P), de la tension d'alimentation (V) et de la température (T). Il est donc nécessaire de mettre en place des capteurs ou ring oscillateurs sur puce dédiés à la qualification intrinsèque des circuits intégrés en termes de PVT. Les capteurs seront activés pendant la phase de test des circuits ou pendant leur phase de fonctionnement normal, et les mesures seront converties en données numériques permettant de classifier les performances temporelles et énergétiques du système-sur-puce. Dans ce cadre, la présente thèse en milieu industriel a permis le développement de techniques et d'algorithmes de compensations post-fabrication en réduisant la consommation et/ou augmentant la vitesse du circuit. Précisément, les algorithmes validés au niveau silicium utilisent l'ajustement de la tension d'alimentation pour une compensation à gros-grain, ainsi que l'ajustement de la tension des substrats des transistors NMOS et PMOS pour une compensation à fin-grain. / The new requirement for nanometer CMOS technologies enabling optimal speedand power performances is to increase the integrated circuits' robustness under thefluctuation of the PVT parameters: Process (P), Voltage (V), and Temperature (T). In thisway, identifying the exact process on a die per die basis using on-chip sensors or ringoscillators becomes a necessity. This hardware (sensors) is used to measure the intrinsicperformance of the silicon either during industrial test or while applications are running. Thesensors' data are converted to a digital format in order to classify parts at the manufacturingstage (speed binning). Within this context, the present thesis has focused on the developmentof post-manufacturing compensation algorithms in order to minimise power consumptionand/or maximise speed. More precisely, the algorithms validated at the silicon level combineboth the voltage scaling for large-grain tuning, and the body biasing for fine-grain tuning.

Afin de suivre le rythme effréné des évolutions des systèmes embarqués et des dispositifs portables, il s’avère aujourd’hui indispensable d’optimiser la gestion de l’énergie sans pour autant compromettre la performance et la robustesse des circuits. Dans ce contexte, cette thèse étudie de nouveaux dispositifs de gestion de l’énergie ainsi que leur mise en œuvre, en combinant deux approches: la logique asynchrone et les techniques de polarisation du substrat (Adaptive Body Biasing - ABB). Cette thèse comporte quatre contributions permettant la conception de circuits asynchrones énergétiquement plus efficaces. 1) Une unité arithmétique et logique (UAL) asynchrone quasi insensible aux délais (Quasi Delay Insensitive - QDI) a été conçue et utilisée pour mener une analyse comparative entre systèmes synchrones et asynchrones. Cette étude démontre notamment  la meilleure efficacité énergétique et la plus grande robustesse des circuits asynchrones QDI, surtout lorsqu’ils fonctionnent à basse tension. 2) Une cellule standard a été spécialement développée pour mettre en œuvre nos schémas d’adaptation dynamique du substrat (ABB) qui ajustent la tension de seuil (Vth) des transistors. En outre, cette cellule s’est révélée très utile pour la détection de fautes transitoires causées par des radiations environnementales. Cette cellule est en outre un élément clé pour exploiter la polarisation du substrat, un des intérêts majeurs de la technologie FD-SOI, et d’améliorer la fiabilité du système. 3) Trois stratégies de polarisation de substrat ont été évaluées. Ces stratégies reposent sur la détection automatique de l’activité des circuits asynchrones QDI et de la polarisation de multiples domaines dans le substrat (Body Biasing Domains - BBD). De plus, une méthode pour analyser l’efficacité énergétique des stratégies de polarisation pour les circuits asynchrones QDI a également été proposée dans le cadre de cette thèse. 4) Enfin, un flot de conception de circuits numériques intégrés a été proposé et développé. Ce flot, basé sur des cellules standards, permet d’exploiter des stratégies de polarisation (ABB) avec plusieurs domaines (BBD) en utilisant la cellule standard spécialement développée. Un testchip a été conçu et fabriqué pour valider notre flot de conception et évaluer l’efficacité de la cellule proposée. / Keeping the fast evolving pace of embedded systems of portable devices require ameliorations of power management techniques, without compromising the circuit performance and robustness. In this context, this thesis studies novel energy management schemes, and how to implement them, by using two main design approaches: asynchronous logic and adaptive body biasing (ABB) techniques. Four main contributions have been done, thus enabling the design of more energy efficient asynchronous circuits. 1) We contributed with the design of a Quasi-delay Insensitive (QDI) asynchronous ALU architecture, used in a comparative analysis of asynchronous versus synchronous systems. This first study has demonstrated the energy efficiency and robustness of QDI circuits, especially if operating at low power supply (Vdd ). 2) We proposed a new body built-in cell for implementing ABB schemes by tuning the circuit threshold voltage (Vth) on-the-fly; and detecting short-duration and long-duration transient faults (TF) caused by environmental radiation. The proposed cell is a key building block to fully benefit from body biasing features of the FD-SOI technology while enhancing system’s reliability. 3) We assessed three different ABB strategies - based on automatic activity detection and multiple body-biasing domains (BBDs) - for QDI asynchronous circuits. Furthermore, a methodology for analyzing energy efficiency of ABB strategies in QDI asynchronous circuits is also proposed in this work. 4) We developed a standard cell-based IC design flow to apply ABB strategies with multiple BBDs by using the proposed body built-in cells. A testchip has been designed and fabricated to validate the developed design flow and the efficacy of the body built-in cell.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第20778号 / 情博第658号 / 新制||情報||113(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 小野寺 秀俊, 教授 佐藤 高史, 教授 黒橋 禎夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Au-delà du nœud technologique CMOS BULK 28nm, certaines limites ont été atteintes dans l'amélioration des performances en raison notamment d'une consommation énergétique devenant trop importante. C'est une des raisons pour lesquelles de nouvelles technologies ont été développées, notamment celles basées sur Silicium sur Isolant (SOI). Par ailleurs, la généralisation des architectures complexes de type multi-cœurs, accentue le problème de gestion de la consommation à grain-fin. Les technologies CMOS FD-SOI offrent de nouvelles opportunités pour la gestion de la consommation en permettant d'ajuster, outre les paramètres usuels que sont la tension d'alimentation et la fréquence d'horloge, la tension de body bias. C'est dans ce contexte que ce travail étudie les nouvelles possibilités offertes et explore des solutions innovantes de gestion dynamique de la tension d'alimentation, fréquence d'horloge et tension de body bias afin d'optimiser la consommation énergétique des systèmes sur puce. L'ensemble des paramètres tensions/fréquence permettent une multitude de points de fonctionnement, qui doivent satisfaire des contraintes de fonctionnalité et de performance. Ce travail s'intéresse donc dans un premier temps à une problématique de conception, en proposant une méthode d'optimisation du placement de ces points de fonctionnement. Une solution analytique permettant de maximiser le gain en consommation apporté par l'utilisation de plusieurs points de fonctionnement est proposée. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne la gestion dynamique de la tension d'alimentation, de la fréquence et de la tension de body bias, permettant d'optimiser l'efficacité énergétique en se basant sur le concept de convexité. La validation expérimentale des méthodes proposées s'appuie sur des échantillons de circuits réels, et montre des gains en consommation moyens allant jusqu'à 35%. / Beyond 28nm CMOS BULK technology node, some limits have been reached in terms of performance improvements. This is mainly due to the increasing power consumption. This is one of the reasons why new technologies have been developed, including those based on Silicon-On-Insulator (SOI). Moreover, the standardization of complex architectures such as multi-core architectures emphasizes the problem of power management at fine-grain. FD-SOI technologies offer new power management opportunities by adjusting, in addition to the usual parameters such as supply voltage and clock frequency, the body bias voltage. In this context, this work explores new opportunities and searches novel solutions for dynamically manage supply voltage, clock frequency and body bias voltage in order to optimize the power consumption of System on Chip.Adjusting supply voltage, frequency and body bias parameters allows multiple operating points, which must satisfy the constraints of functionality and performance. This work focuses initially at design time, proposing a method to optimize the placement of these operating points. An analytical solution to maximize power savings achieved through the use of several operating points is provided. The second important contribution of this work is a method based on convexity concept to dynamically manage the supply voltage, the frequency and the body bias voltage so as to optimize the energy efficiency. The experimental results based on real circuits show average power savings reaching 35%.