Cette thèse adresse le sujet de la génération de suites binaires aléatoires dans les circuits logiques programmables FPGA et plus particulièrement les suites dont l’origine aléatoire est de nature physique et non algorithmique. De telles suites trouvent une utilisation abondante dans la plupart des protocoles cryptographiques. Un état de l’art portant sur les différentes méthodes de génération de vrai aléa dans les circuits logiques programmables est présenté sous forme d’analyse critique d’articles scientifiques. Une synthèse des différentes tendances dans l’extraction et la génération d’aléa est également présentée. Une campagne d’expériences et de mesures est présentée visant à caractériser les différentes sources de signaux aléatoires disponibles à l’intérieur du FPGA. Des phénomènes intéressants tel le verrouillage de plusieurs oscillateurs en anneau, la dépendance de la source d’aléa vis-à-vis de la logique environnante et la méthodologie de mesure du jitter sont analysés. Plusieurs méthodes nouvelles de génération de suites binaires aléatoires sont décrites. Finalement une méthodologie nouvelle de simulation en VHDL de générateurs complets ainsi qu’un modèle mathématique d’un oscillateur en anneau en tant que source d’aléa sont présentés / This thesis addresses the topic of the generation of random binary streams in FPGA and especially random sequences whose origin is physical and not algorithmic. Such sequences find abundant use in most cryptographic protocols. A state of the art regarding the various methods of generating true randomness in programmable logic is presented as a critical analysis of scientific articles. A synthesis of different trends in the extraction and generation of true randomness is presented. A campaign of experiments and measurements is presented to characterize the different sources of random signals available inside the FPGA. Interesting phenomena such as the locking of several ring oscillators and the sensibility of the source of randomness depending to the surrounding logic activity are reported. Several new methods for generating random binary sequences are described and analyzed. Finally a new simulation methodology in VHDL and a mathematical model of a ring oscillator as a source of randomness for TRNG are presented

Les générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sont des composants cruciaux dans certaines applications cryptographiques sensibles (génération de clés de chiffrement, génération de signatures DSA, etc). Comme il s’agit de composants très bas-niveau, une faille dans le TRNG peut remettre en question la sécurité de tout le système cryptographique qui l’exploite. Alors que beaucoup de principes de TRNG existent dans la littérature, peu de travaux analysent rigoureusement ces architectures en termes de sécurité. L’objectif de cette thèse était d’étudier les avantages des techniques de conception asynchrone pour la conception de générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sûrs et robustes. Nous nous sommes en particulier intéressés à des oscillateurs numériques appelés anneaux auto-séquencés. Ceux-ci exploitent un protocole de requêtes et acquittements pour séquencer les données qui y circulent. En exploitant les propriétés uniques de ces anneaux, nous proposons un nouveau principe de TRNG, avec une étude théorique détaillée sur son fonctionnement, et une évaluation du cœur du générateur dans des cibles ASIC et FPGA. Nous montrons que ce nouveau principe permet non seulement de générer des suites aléatoires de très bonne qualité et avec un très haut débit (>100 Mbit/s), mais il permet aussi une modélisation réaliste de l’entropie des bits de sortie (celle-ci peut être réglée grâce aux paramètres de l’extracteur). Ce travail propose également une méthodologie complète pour concevoir ce générateur, pour le dimensionner en fonction du niveau de bruit dans le circuit, et pour le sécuriser face aux attaques et défaillances / True Random Number Generators (TRNG) are ubiquitous in many critical cryptographic applications (key generation, DSA signatures, etc). While many TRNG designs exist in literature, only a few of them deal with security aspects, which is surprising considering that they are low-level primitives in a cryptographic system (a weak TRNG can jeopardize a whole cryptographic system). The objective of this thesis was to study the advantages of asynchronous design techniques in order to build true random number generators that are secure and robust. We especially focused on digital oscillators called self-timed rings (STR), which use a handshake request and acknowledgement protocol to organize the propagation of data. Using some of the unique properties of STRs, we propose a new TRNG principle, with a detailed theoretical study of its behavior, and an evaluation of the TRNG core in ASICs and FPGAs. We demonstrate that this new principle allows to generate high quality random bit sequences with a very high throughput (> 100 Mbit/s). Moreover, it enables a realistic estimation for the entropy per output bit (this entropy level can be tuned using the entropy extractor parameters). We also present a complete methodology to design the TRNG, to properly set up the architecture with regards to the level of noise in the circuit, and to secure it against attacks and failures

L’avantage de cette architecture FDSOI par rapport à l’architecture Si-bulk est qu’elle possède une face arrière qui peut être utilisée comme une deuxième grille permettant de moduler la tension de seuil Vth du transistor. Pour améliorer les performances des transistors canal p (PMOS), du Germanium est introduit dans le canal (SiGe) et au niveau des sources/drain pour la technologie 14nm FDSOI. Par ailleurs, la réduction de la géométrie des transistors à ces dimensions nanométriques fait apparaître des effets de design physique qui impactent à la fois les performances et la fiabilité des transistors.Ce travail de recherche est développé sur quatre chapitres dont le sujet principal porte sur les performances et la fiabilité des dernières générations CMOS soumises aux mécanismes de dégradation BTI (Bias Temperature Instability) et par injections de porteurs chauds (HCI) dans les dernières technologies 28nm et 14nm FDSOI. Dans le chapitre I, nous nous intéressons à l’évolution de l’architecture du transistor qui a permis le passage des nœuds Low-Power 130-40nm sur substrat silicium à la technologie FDSOI (28nm et 14nm). Dans le chapitre II, les mécanismes de dégradation BTI et HCI des technologies 28nm et 14nm FDSOI sont étudiés et comparés avec les modèles standards utilisés. L’impact des effets de design physique (Layout) sur les paramètres électriques et la fiabilité du transistor sont traités dans le chapitre III en modélisant les contraintes induites par l’introduction du SiGe. Enfin le vieillissement et la dégradation des performances en fréquence ont été étudiés dans des circuits élémentaires de type oscillateurs en anneau (ROs), ce qui fait l’objet du chapitre IV. / The subject of this thesis developed on four chapters, aims the development of advanced CMOS technology nodes fabricated by STMicroelectronics in terms of speed performance and reliability. The main reliability issues as Bias Temperature Instability (BTI) and Hot-Carriers (HC) degradation mechanisms have been studied in the most recent 28nm and 14nm FDSOI technologies nodes. In the first chapter, we presents the evolution of transistor architecture from the low-power 130-40nm CMOS nodes on silicon substrate to the recent FDSOI technology for 28nm and 14nm CMOS nodes. The second chapter presents the specificity of BTI and HCI degradation mechanisms involved in 28nm and 14nm FDSOI technology nodes. In the third chapter, we have studied the impact of layout effects on device performance and reliability comparing symmetrical and asymmetrical geometries. Finally the trade-off between performance and reliability is studied in the fourth chapter using elementary circuits. The benefit of using double gate configuration with the use of back bias VB in FDSOI devices to digital cells, allows to compensate partially or totally the aging in ring oscillators (ROs) observed by the frequency reduction. This new compensation technique allows to extend device and circuit lifetime offering a new way to guaranty high frequency performance and long-term reliability.

Cette thèse adresse le sujet de la génération de suites binaires aléatoires dans les circuits logiques programmables FPGA et plus particulièrement les suites dont l'origine aléatoire est de nature physique et non algorithmique. De telles suites trouvent une utilisation abondante dans la plupart des protocoles cryptographiques. Un état de l'art portant sur les différentes méthodes de génération de vrai aléa dans les circuits logiques programmables est présenté sous forme d'analyse critique d'articles scientifiques. Une synthèse des différentes tendances dans l'extraction et la génération d'aléa est également présentée. Une campagne d'expériences et de mesures est présentée visant à caractériser les différentes sources de signaux aléatoires disponibles à l'intérieur du FPGA. Des phénomènes intéressants tel le verrouillage de plusieurs oscillateurs en anneau, la dépendance de la source d'aléa vis-à-vis de la logique environnante et la méthodologie de mesure du jitter sont analysés. Plusieurs méthodes nouvelles de génération de suites binaires aléatoires sont décrites. Finalement une méthodologie nouvelle de simulation en VHDL de générateurs complets ainsi qu'un modèle mathématique d'un oscillateur en anneau en tant que source d'aléa sont présentés