Pour réduire le coût des Circuits Intégrés (CIs), les entreprises de conception se tournent de plus en plus vers des fonderies basées dans des pays à faible coût de production (outsourcing). Cela a pour effet d’augmenter les menaces sur les circuits. En effet, pendant la fabrication,le CI peut être altéré avec l’insertion d’un circuit malicieux, appelé cheval de Troie Matériel (CTM). Ceci amène les vendeurs de CI à protéger leurs produits d’une potentielle insertion d’un CTM, mais également, d’en assurer l’authenticité après fabrication (pendant la phase de test).Cependant, les CTMs étant furtifs par nature, il est très difficile, voire impossible de les détecter avec les méthodes de test conventionnel, et encore moins avec des vecteurs de test aléatoires. C’est pourquoi nous proposons dans le cadre de cette thèse, des méthodes permettant de détecter et de prévenir l’insertion de CTM dans les CIs pendant leur fabrication.Ces méthodes utilisent des approches orientées test logique pour la détection de CTM aussi bien en phase de test (après fabrication du CI) qu’en fonctionnement normal (run-time).De plus, nous proposons des méthodes de prévention qui elles aussi s’appuient sur des principes de test logique pour rendre difficile, voire impossible l’insertion de CTM aussi bien au niveau netlist qu’au niveau layout. / In order to reduce the production costs of integrated circuits (ICs), outsourcing the fabrication process has become a major trend in the Integrated Circuits (ICs) industry. As an inevitable unwanted side effect, this outsourcing business model increases threats to hardware products. This process raises the issue of un-trusted foundries in which, circuit descriptions can be manipulated with the aim to possibly insert malicious circuitry or alterations, referred to as Hardware Trojan Horses (HTHs). This motivates semiconductor industries and researchers to study and investigate solutions for detecting during testing and prevent during fabrication, HTH insertion.However, considering the stealthy nature of HTs, it is quite impossible to detect them with conventional testing or even with random patterns. This motivates us to make some contributions in this thesis by proposing solutions to detect and prevent HTH after fabrication (during testing).The proposed methods help to detect HTH as well during testing as during normal mode(run-time), and they are logic testing based.Furthermore, we propose prevention methods, which are also logic testing based, in order tomake harder or quasi impossible the insertion of HTH both in netlist and layout levels.

La mondialisation et la déverticalisation des métiers du semi-conducteur a mené cette industrie à sous-traiter certaines étapes de conception et souvent la totalité de la fabrication. Au cours de ces étapes, les circuits intégrés (CIs) sont vulnérables à des altérations malignes : les chevaux de Troie matériels (HTs). Dans les applications sécuritaires, il est important de garantir que les circuits intégrés utilisés ne soient pas altérés par de tels dispositifs. Afin d'offrir un niveau de confiance élevé dans ces circuits, il est nécessaire de développer de nouvelles techniques de test pour détecter les HTs, aussi légers et furtifs soient-ils. Cette thèse étudie les menaces et propose deux approches originales de test post-fabrication pour détecter des HTs implantés après synthèse. La première technique exploite des capteurs de courant incorporés au substrat (BBICS), originalement conçus pour identifier les défauts transitoires dans les CIs. Dans notre cas, ils fournissent une signature numérique obtenue par analyse statistique permettant de détecter tout éventuel HT, même au niveau dopant. La deuxième proposition est une méthode non intrusive pour détecter les HTs dans les circuits asynchrones. Cette technique utilise la plateforme de test du circuit et ne requiert aucun matériel supplémentaire. Elle permet la détection de HTs dont la surface est inférieure à 1% de celle du circuit. Les méthodes et les techniques-,- mises au point dans cette thèse-,- contribuent donc à réduire la vulnérabilité des CIs aux HTs soit par adjonction d'un capteur (BBICS), soit en exploitant les mécanismes de test s'il s'agit de circuits asynchrones. / The world globalization has led the semiconductor industry to outsource design and fabrication phases, making integrated circuits (ICs) potentially more vulnerable to malicious modifications at design or fabrication time: the hardware Trojans (HTs). New efficient testing techniques are thus required to disclose potential slight and stealth HTs, and to ensure trusted devices. This thesis studies possible threats and proposes two new post-silicon testing techniques able to detect HTs implanted after the generation of the IC netlist. The first proposed technique exploits bulk built-in current sensors (BBICS) -- which are originally designed to identify transient faults in ICs -- by using them as testing mechanisms that provide statistically-comparable digital signatures of the devices under test. With only 16 IC samples, the testing technique can detect dopant-level Trojans of zero-area overhead. The second proposition is a non-intrusive technique for detection of gate-level HTs in asynchronous circuits. With this technique, neither additional hardware nor alterations on the original test set-up are required to detect Trojans smaller than 1% of the original circuit. The studies and techniques devised in this thesis contribute to reduce the IC vulnerability to HT, reusing testing mechanisms and keeping security features of original devices.

Le travail décrit dans cette thèse porte sur une nouvelle méthodologie de caractérisation des circuits sécurisés basée sur une rétro-conception matérielle partielle : d’une part afin d’améliorer l’injection de fautes laser, d’autre part afin de détecter la présence de Chevaux de Troie Matériels (CTMs). Notre approche est dite partielle car elle est basée sur une seule couche matérielle du composant et car elle ne vise pas à recréer une description schématique ou fonctionnelle de l’ensemble du circuit.Une méthodologie invasive de rétro-conception partielle bas coût, rapide et efficace est proposée. Elle permet d’obtenir une image globale du circuit où seule l’implémentation des caissons des transistors est visible. La mise en œuvre de cette méthodologie est appliquée sur différents circuits sécurisés. L’image obtenue selon la méthodologie déclinée précédemment est traitée afin de localiser spatialement les portes sensibles, voire critiques en matière de sécurité. Une fois ces portes sensibles identifiées, nous caractérisons l’effet du laser sur différentes parties de ces cellules de bases et nous montrons qu’il est possible de contrôler à l’aide d’injections de fautes laser la valeur contenue dans ces portes. Cette technique est inédite car elle valide le modèle de fautes sur une porte complexe en technologie 90 nm. Pour finir une méthode de détection de CTMs est proposée avec le traitement de l’image issue de la rétro-conception partielle. Nous mettons en évidence l’ajout de portes non répertoriées avec l’application sur un couple de circuits. La méthode permet donc de détecter, à moindre coût, de manière rapide et efficace la présence de CTMs. / The work described in this thesis covers an integrated circuit characterization methodology based on a partial hardware reverse engineering. On one hand in order to improve integrated circuit security characterization, on the other hand in order to detect the presence of Hardware Trojans. Our approach is said partial as it is only based on a single hardware layer of the component and also because it does not aim to recreate a schematic or functional description of the whole circuit. A low cost, fast and efficient reverse engineering methodology is proposed. The latter enables to get a global image of the circuit where only transistor's active regions are visible. It thus allows localizing every standard cell. The implementation of this methodology is applied over different secure devices. The obtained image according to the methodology declined earlier is processed in order to spatially localize sensible standard cells, nay critical in terms of security. Once these cells identified, we characterize the laser effect over different location of these standard cells and we show the possibility with the help of laser fault injection the value they contain. The technique is novel as it validates the fault model over a complex gate in 90nm technology node.Finally, a Hardware Trojan detection method is proposed using the partial reverse engineering output. We highlight the addition of few non listed cells with the application on a couple of circuits. The method implementation therefore permits to detect, without full reverse-engineering (and so cheaply), quickly and efficiently the presence of Hardware Trojans.

Avec la mondialisation du marché des semi-conducteurs, l'intégrité des circuits intégrés (CI) est devenue préoccupante... On distingue deux menaces principales : les chevaux de Troie matériel (CTM) et les contrefaçons. La principale limite des méthodes de vérification de l’intégrité proposées jusqu'à maintenant est le biais induit par les variations des procédés de fabrication. Cette thèse a pour but de proposer une méthode de détection embarquée de détection de CTM et de contrefaçons. À cette fin, une caractérisation de l'impact des modifications malveillantes sur un réseau de capteurs embarqué a été effectuée. L'addition malicieuse de portes logiques (CTM) ou la modification de l'implémentation du circuit (contrefaçons) modifie la distribution de la tension à la l'intérieur du circuit. Une nouvelle approche est proposée afin d'éliminer l'influence des variations des procédés. Nous posons que pour des raisons de cout et de faisabilité, une infection est faite à l'échelle d'un lot de production. Un nouveau modèle de variation de performance temporelle des structures CMOS en condition de design réel est introduit. Ce modèle est utilisé pour créer des signatures de lots indépendantes des variations de procédé et utilisé pour définir une méthode permettant de détecter les CTMs et les contrefaçons.Enfin nous proposons un nouveau distingueur permettant de déterminer, avec un taux de succès de 100%, si un CI est infecté ou non. Ce distingueur permet de placer automatiquement un seuil de décision adapté à la qualité des mesures et aux variations de procédés. Les résultats ont été expérimentalement validés sur un lot de cartes de prototypage FPGA. / Due to the trend to outsourcing semiconductor manufacturing, the integrity of integrated circuits (ICs) became a hot topic. The two mains threats are hardware Trojan (HT) and counterfeits. The main limit of the integrity verification techniques proposed so far is that the bias, induced by the process variations, restricts their efficiency and practicality. In this thesis we aim to detect HTs and counterfeits in a fully embedded way. To that end we first characterize the impact of malicious insertions on a network of sensors. The measurements are done using a network of Ring oscillators. The malicious adding of logic gates (Hardware Trojan) or the modification of the implementation of a different design (counterfeits) will modify the voltage distribution within the IC.Based on these results we present an on-chip detection method for verifying the integrity of ICs. We propose a novel approach which in practice eliminates this limit of process variation bias by making the assumption that IC infection is done at a lot level. We introduce a new variation model for the performance of CMOS structures. This model is used to create signatures of lots which are independent of the process variations. A new distinguisher has been proposed to evaluate whether an IC is infected. This distinguisher allows automatically setting a decision making threshold that is adapted to the measurement quality and the process variation. The goal of this distinguisher is to reach a 100\% success rate within the set of covered HTs family. All the results have been experientially validated and characterized on a set of FPGA prototyping boards.