Physically unclonable functions are increasingly used as security primitives for device identification and anti-counterfeiting. However, PUFs are associated with noise and bias which in turn affects its property of reliability and predictability. The noise is corrected using fuzzy extractors, but the helper data generated during the process may cause leakage in min-entropy due to the bias observed in the response. This thesis offers two optimization techniques for PUF based protocols. The first part talks about the construction of a secure enrollment solution for PUFs on a low-end resource-constrained device using a microcontroller and a secure networked architecture. The second part deals with the combined optimization of min-entropy and error-rate using symbol clustering techniques to improve the reliability of SRAM PUFs. The results indicate an increase in min-entropy without much effect on the error rate but at the expense of PUF size. / Master of Science

Pour adresser les nœuds technologiques avancés dans le cadre de la lithographie électronique, une nouvelle stratégie de correction des effets de proximité a été imaginée pour prendre le relai de la technique standard de modulation de dose. Dans ces travaux de thèse, les effets de proximité ont été analysés sur les outils e-beam de dernière génération au sein du LETI. Les limites de la modulation de dose ont aussi été évaluées. Parallèlement, une approche plus fondamentale, basée sur la simulation, a permis de mieux comprendre l'impact des différentes étapes du procédé de lithographie sur les motifs réalisés. Une nouvelle stratégie de correction avancée, appelée exposition multiple, a ensuite été mise au point. Celle-ci fait intervenir des motifs spécifiques appelés eRIF (electron Resolution lmprovement Features) dont l'exposition, couplée à celle des motifs initiaux permet de mieux contrôler la répartition de la dose injectée dans la résine. On parle alors d'expositions multiples. Au cours de ces travaux le positionnement des eRIF, ainsi que leurs dimensions ont fait l'objet d'une étude approfondie. L'élaboration d'algorithmes d'optimisation et la réalisation d'expérimentations en salle blanche ont permis d'optimiser ces paramètres et de mettre en évidence les gains apportés par les eRIF. Par rapport à la modulation de dose, des améliorations significatives ont pu être démontrées sur de véritables circuits intégrés. Grâce à l'exposition multiple, la résolution ultime des outils de lithographie e-beam a été repoussée de 2 nœuds technologiques pour les niveaux les plus critiques d'un circuit. Les règles de dessin retenues pour réaliser les eRIF ont ensuite été intégrées dans des modèles de corrections. via le logiciel de préparation de données INSCALE d'ASELTA NANOGRAPHICS pour assurer une correction automatisée des circuits. / In electron beam lithography, a new proximity affects correction strategy has been imagined to push the resolution capabilities beyond the limitations of the standard dose modulation. In this work, the proximity affects inherent to e-beam lithography have been studied on the newest e-beam tools available at LETI. First, the limits of the standard dose modulation correction have been evaluated. The influences of each step of the lithographic process have also been analyzed from a theoretical point a view. A simulation approach was built and used to determine the impact of each of these steps on the patterned features. Then, a new writing strategy has been fully developed. It involves sub resolution features known as eRIF (electron Resolution Improvement features) which provide a finer control of the dose profile into the resist. Since the eRIF are exposed a top the nominal features, this new writing strategy is called multiple pass exposure. In this work, the position, the dose and the design of the eRIF have been studied and optimized to get the best of this new strategy. To do so, experiments were led in a clean room environment, and minimization algorithms have been developed. It has been demonstrated that the eRIF provide a significant gain compared to the standard dose modulation. Improvements have been observed even on the most critical levels of the Integrated circuits. By using the multiple pass exposure with optimized eRIF, the resolution capabilities of the e-beam tool have been reduced by 2 technological nodes. The design rules that have been determined to use the eRIF the most efficient way were finally implemented in INSCALE, the new data preparation software developed by ASELTA NANOGRAPHICS. This way, multiple pass exposure can be used in an automated mode to correct full layouts.

The deals of thesis were described methods for designing safety applications, made analysis of possible microcontroller faults of long-run system, described software and hardware methods for fault detection in microcontroller and applied some March test to microcontroller. To application were chosen MATS+, PMOVI and March SS tests. These tests were modified to word-oriented memory. Further it was made analysis of modified tests to determination fault coverage, testing times and program memory requirement. To determination of fault coverage was created virtual memory with fault function models. March tests were compared with each other and with another pattern test (checkboard test).

Memory design is a crucial component of VLSI system design from area, power and performance perspectives. To meet the increasingly challenging system specifications, architecture, circuit and device level innovations are required for existing memory technologies. Emerging memory solutions are widely explored to cater to strict budgets. This thesis presents design methodologies for custom memory design with the objective of power-performance benefits across specific applications. Taking example of STTRAM (spin transfer torque random access memory) as an emerging memory candidate, the design space is explored to find optimal energy design solution. A thorough thermal reliability study is performed to estimate detection reliability challenges and circuit solutions are proposed to ensure reliable operation. Adoption of the application-specific optimal energy solution is shown to yield considerable energy benefits in a read-heavy application called MBC (memory based computing). Circuit level customizations are studied for the volatile SRAM (static random access memory) memory, which will provide improved energy-delay product (EDP) for the same MBC application. Memory design has to be aware of upcoming challenges from not only the application nature but also from the packaging front. Taking 3D die-folding as an example, SRAM performance shift under die-folding is illustrated. Overall the thesis demonstrates how knowledge of the system and packaging can help in achieving power efficient and high performance memory design.

Afin de permettre le développement de modèles manipulables par les concepteurs, il est nécessaire de pouvoir comprendre le fonctionnement des nanotubes, en particulier le transport des électrons et leurs propriétés électroniques. C'est dans ce contexte général que cette thèse s'intègre. Le travail a été mené sur quatre plans : • Développement de modèles permettant la description des phénomènes physiques importants au niveau des dispositifs, • Expertise sur le fonctionnement des nano-composants permettant de dégager les ordres de grandeurs pertinents pour les dispositifs, les contraintes, la pertinence de quelques procédés de fabrication (reproductibilité, taux de défauts), • Collection de caractéristiques mesurées et développement éventuel d'expériences spécifiques, • Expertise et conception des circuits innovatifs pour l'électronique numérique avec ces nano-composants. Mots clés — Modélisation compacte, transistor Schottky à nanotube de carbone, simulation circuit, cellule mémoire SRAM, effet tunnel, WKB.

As memórias são de fundamental importância no computador de bordo de um satélite, uma vez que são responsáveis por armazenar as informações necessárias para o funcionamento correto do mesmo, além dos dados coletados pela carga útil do satélite. Este trabalho propõe uma metodologia e aplicação da mesma em um sistema de memória, de tal forma que, através de passos bem definidos, possibilite a utilização de componentes de memórias não qualificadas para área espacial, com o grau de confiabilidade especificado. Uma etapa baseada no processo de screening foi utilizada como parte integrante de um programa de confiabilidade conduzido na fase de projeto e desenvolvimento do computador de bordo. Na aplicação, um lote mínimo de memórias SRAMs de categoria industrial projetada sem levar em conta efeitos do ambiente espacial (não possuindo garantia do fabricante para operar no espaço) foram submetidas a screening.A metodologia utiliza a aplicação da técnica de screening com a finalidade de conhecer as características de confiabilidade desses componentes e a eliminação de componentes defeituosos. Uma outra etapa abordada na metodologia é o aumento da confiabilidade no desenvolvimento do módulo de memórias SRAMs para o computador de bordo, utilizando os componentes que sobreviveram ao screening. Finalmente, é proposta uma etapa de validação do desenvolvimento do aumento da confiabilidade do módulo, utilizando o método de injeção de falhas. Os resultados conseguidos através da aplicação da metodologia aos módulos de memória SRAM demonstram que a metodologia proposta pode vir a ser uma eficiente ferramenta de projeto a ser utilizada no desenvolvimento de sistemas espaciais.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.

La réduction des dimensions et paramètres électriques des transistors, fruit des progrès dans les technologies de fabrication de circuits intégrés, rend les composants présents et futurs de plus en plus sensibles aux perturbations appelées évènements singuliers S.E.E. (Single Event Effects). Ces événements sont la conséquence d'une impulsion de courant résultant de l'impact dans des zones sensibles du circuit, de particules énergétiques présentes dans l'environnement dans lequel ils fonctionnent. Parmi les différents types de SEE, peuvent être mentionnés les SEU (Single Event Upsets) qui consistent en l'inversion du contenu de cellules mémoires, les SEL (Single Event Latchups) qui donnent lieu à des courts-circuits masse-alimentation et peuvent donc conduire à la destruction du circuit par effet thermique. Cette thèse a pour but de décrire et valider les méthodologies nécessaires pour évaluer de manière précise la sensibilité face aux radiations de deux types de circuits numériques représentatifs, processeurs et mémoires, composants utilisés dans la plupart des systèmes embarqués.

La sécurité des traitements numériques est quelque chose d'important dans notre société actuelle. Un grand nombre d'applications nécessite de forts niveaux de sécurité et/ou de sûreté. Pour répondre à ces besoins, les applications utilisent souvent des composants ASICs. Les principaux problèmes de ce type de composant sont qu'ils sont dédiés à une application et nécessitent de forts volumes de production. Une autre approche possible consiste à utiliser des plates-formes reconfigurables telles que des FPGAs de type SRAM. Cependant, la mémoire de configuration de ces FPGAs est sensible aux perturbations, ce qui nécessite une étude spécifique. Cette thèse a pour objectif principal de caractériser les effets des injections de fautes par tirs laser et par application de surtensions dans ce type de composant. Lors de ce travail, nous avons pu analyser pour un type de FPGA la sensibilité des différents éléments configurant la logique programmable et identifier les principaux types de modification des interconnexions. Les effets obtenus ont été étudiés en fonction de plusieurs paramètres : focalisation du faisceau laser ou amplitude des surtensions, durée des perturbations et énergie. Le déterminisme des effets a également été analysé. Il a été montré pour les attaques par laser que la forme des zones de sensibilité dépend de la valeur initiale du bit et une interprétation a été proposée. Suite à ces différentes caractérisations, un crypto-processeur AES sécurisé contre les injections de fautes a été implanté sur le FPGA et attaqué. Les différences de robustesse avec l'implantation ASIC ont en particulier été analysées et une amélioration des contre-mesures a été proposée, implantée et validée.

Cette thèse est consacrée à l'étude de solutions de durcissement des circuits reconfigurables à base de SRAM aux effets radiatifs singuliers. Un partitionnement symbolique des FPGA en une couche de configuration et une couche opérative a permis de mettre en évidence et de hiérarchiser les erreurs d'origine radiative. C'est l'éventuelle inversion de bits de configuration qui est le principal facteur limitant l'usage des FPGA en milieu radiatif. Après avoir étudié les solutions actuellement retenues, nous présentons deux approches permettant d'assurer leur durcissement.<br />La première approche est basée sur la restructuration des inverseurs et des éléments de mémorisation au niveau de l'agencement de leurs transistors. Elle permet de durcir efficacement la couche opérative aux effets singuliers. Elle est également adaptée au durcissement de la couche de configuration, mais au prix d'un surcoût en surface important.<br />La deuxième approche repose sur l'utilisation d'un code détecteur et correcteur d'erreurs par test de la parité. Elle est dédiée au durcissement de la couche de configuration.<br />Un circuit test est également présenté afin de valider expérimentalement les principes de durcissement par restructuration que nous avons utilisés.