L’émergence d’internet et l’amélioration des infrastructures de com- munication ont considérablement encouragé l’explosion des flux d’in- formations au niveau mondial. Cette évolution a été accompagnée par l’apparition de nouveaux besoins et de nouvelles attentes de la part des consommateurs. Communiquer avec ses proches ou ses collaborateurs, stocker des documents de travail, des fichiers mul- timédia, utiliser des services innovants traitant nos documents per- sonnels, tout cela se traduit immanquablement par le partage, avec des tiers, d’informations potentiellement sensibles. Ces tiers, s’ils ne sont pas de confiance, peuvent réutiliser à notre insu les données sensibles que l’on leur a confiées. Dans ce contexte, le chiffrement homomorphe apporte une bonne solution. Il permet de cacher aux yeux des tiers les données qu’ils sont en train de manipuler. Cependant, à l’heure actuelle, le chif- frement homomorphe reste complexe. Pour faire des opérations sur des données de quelques bits (données en clair), il est nécessaire de manipuler des opérandes sur quelques millions de bits (données chiffrées). Ainsi, une opération normalement simple devient longue en termes de temps de calcul. Dans cette étude, nous avons cherché à rendre le chiffrement ho- momorphe plus pratique en concevant un accélérateur spécifique. Nous nous sommes basés sur une approche de type co-conception logicielle/matérielle utilisant l’algorithme de Karatsuba. En particulier, notre approche est compatible avec le batching, qui permet de sto- cker plusieurs bits d’informations dans un même chiffré. Notre étude démontre que le batching peut être implémenté sans surcoût important comparé à l’approche sans batching, et permet à la fois de réduire les temps de calcul (calculs effectués en parallèle) et de réduire le rapport entre la taille des données chiffrées et des données en clair. / The emergence of internet and the improvement of communica- tion infrastructures have considerably increased the information flow around the world. This development has come with the emergence of new needs and new expectations from consumers. Communicate with family or colleagues, store documents or multimedia files, using innovative services which processes our personal data, all of this im- plies sharing with third parties some potentially sensitive data. If third parties are untrusted, they can manipulate without our agreement data we share with them. In this context, homomorphic encryption can be a good solution. Ho- momorphic encryption can hide to the third parties the data they are processing. However, at this point, homomorphic encryption is still complex. To process a few bits of clear data (cleartext), one needs to manage a few million bits of encrypted data (ciphertext). Thus, a computation which is usually simple becomes very costly in terms of computation time. In this work, we have improved the practicability of homomorphic en- cryption by implementing a specific accelerator. We have followed a software/hardware co-design approach with the help of Karatsuba algorithm. In particular, our approach is compatible with batching, a technique that “packs" several messages into one ciphertext. Our work demonstrates that the batching can be implemented at no important additional cost compared to non-batching approaches, and allows both reducing computation time (operations are processed in parallel) and the ciphertext/cleartext ratio.

Il existe une voie nouvelle différente du schéma de calcul, par nature séquentiel de Von Neumann: celle du parallélisme massif. Nous proposons dans cette thèse une architecture régulière hautement parallèle basée sur un réseau de cellules asynchrones communiquant par messages. Chaque cellule exécute une tache simple et intégré un mécanisme de communication lui permettant d'échanger des informations avec n'importe quelle autre cellule du réseau. Cette architecture permet d'exécuter de manière efficace bon nombre d'algorithmes très parallèles. Nous avons étudié un accélérateur de simulation logique basé sur cette architecture cellulaire. Le principe est d'associer a chaque cellule du réseau un élément logique du circuit a simuler. Contrôlée par un système-hôte, la simulation se déroule en deux temps: initialisation des cellules du réseau puis exécution de l'algorithme reparti dans les cellules. Plusieurs algorithmes de simulation ainsi que différents modes de synchronisation sont présentés. La réalisation d'un circuit intégrant un réseau 2 x 2 et ses interfaces de communication est décrite. Enfin, une machine prototype de simulation logique basée sur ce circuit utilisant un ordinateur IBM PC/AT comme système-hôte est présenté

Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception pour le développement d'applications de traitement du signal systématique implémentées sur FPGA. Nous utilisons une approche Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) pour la mise en oeuvre de ce flot de conception, dont la spécification des applications est décrite en UML. La première contribution de cette thèse réside dans la création d'un métamodèle isolant les concepts utilisés au niveau RTL. Ces concepts sont extraits d'implémentations matérielles dédiées de tâches à fort parallélisme de données. Par ailleurs, ce métamodèle considère la technologie d'implémentation FPGA et propose différents niveaux d'abstractions d'un même FPGA. Ces multiples niveaux d'abstractions permettent un raffinement des implémentations matérielles.<br /><br />La seconde contribution est le développement d'un flot de compilation permettant la transformation d'une application modélisée à haut niveau d'abstraction (UML) vers un modèle RTL. En fonction des contraintes de surfaces disponibles (technologie FPGA), le flot de conception optimise le déroulement des boucles et le placement des tâches. Le code VHDL produit est directement simulable et synthétisable sur FPGA. À partir d'applications modélisées en UML, nous produisons automatiquement un code VHDL.<br /><br />Le flot de conception proposé a été utilisé avec succès dans le cadre de sécurité automobile ; un algorithme de détection d'obstacles a été automatiquement généré depuis sa spécification UML.

Les systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans des domaines divers tels que le transport, l’automatisation industrielle, les télécommunications ou la santé pour exécuter des applications critiques et manipuler des données sensibles. Ces systèmes impliquent souvent des intérêts financiers et industriels, mais aussi des vies humaines ce qui impose des contraintes fortes de sûreté. Par conséquent, un élément clé réside dans la capacité de tels systèmes à répondre correctement quand des erreurs se produisent durant l’exécution et ainsi empêcher des comportements induits inacceptables. Les erreurs peuvent être d’origines naturelles telles que des impacts de particules, du bruit interne (problème d’intégrité), etc. ou provenir d’attaques malveillantes. Les architectures de systèmes embarqués comprennent généralement un ou plusieurs processeurs, des mémoires, des contrôleurs d’entrées/sorties ainsi que des accélérateurs matériels utilisés pour améliorer l’efficacité énergétique et les performances. Avec l’évolution des applications, le cycle de conception d’accélérateurs matériels devient de plus en plus complexe. Cette complexité est due en partie aux spécifications des accélérateurs matériels qui reposent traditionnellement sur l’écriture manuelle de fichiers en langage de description matérielle (HDL).Cependant, la synthèse de haut niveau (HLS) qui favorise la génération automatique ou semi-automatique d’accélérateurs matériels à partir de spécifications logicielles, comme du code C, permet de réduire cette complexité.Le travail proposé dans ce manuscrit cible l’intégration d’un support de vérification dans les outils de HLS pour générer des moniteurs sur puce au cours de la synthèse de haut niveau des accélérateurs matériels. Trois contributions distinctes ont été proposées. La première contribution consiste à contrôler les erreurs de comportement temporel des entrées/sorties (impactant la synchronisation avec le reste du système) ainsi que les erreurs du flot de contrôle (sauts illégaux ou problèmes de boucles infinies). La synthèse des moniteurs est automatique sans qu’aucune modification de la spécification utilisée en entrée de la HLS ne soit nécessaire. La deuxième contribution vise la synthèse des propriétés de haut niveau (ANSI-C asserts) qui ont été ajoutées dans la spécification logicielle de l’accélérateur matériel. Des options de synthèse ont été proposées pour arbitrer le compromis entre le surcout matériel, la dégradation de la performance et le niveau de protection. La troisième contribution améliore la détection des corruptions des données qui peuvent modifier les valeurs stockées, et/ou modifier les transferts de données, sans violer les assertions (propriétés) ni provoquer de sauts illégaux. Ces erreurs sont détectées en dupliquant un sous-ensemble des données du programme, limité aux variables les plus critiques. En outre, les propriétés sur l’évolution des variables d’induction des boucles ont été automatiquement extraites de la description algorithmique de l’accélérateur matériel. Il faut noter que l’ensemble des approches proposées dans ce manuscrit, ne s’intéresse qu’à la détection d’erreurs lors de l’exécution. La contreréaction c.à.d. la manière dont le moniteur réagit si une erreur est détectée n’est pas abordée dans ce document. / Embedded systems are increasingly used in various fields like transportation, industrial automation, telecommunication or healthcare to execute critical applications and manipulate sensitive data. These systems often involve financial and industrial interests but also human lives which imposes strong safety constraints.Hence, a key issue lies in the ability of such systems to respond safely when errors occur at runtime and prevent unacceptable behaviors. Errors can be due to natural causes such as particle hits as well as internal noise, integrity problems, but also due to malicious attacks. Embedded system architecture typically includes processor (s), memories, Input / Output interface, bus controller and hardware accelerators that are used to improve both energy efficiency and performance. With the evolution of applications, the design cycle of hardware accelerators becomes more and more complex. This complexity is partly due to the specification of hardware accelerators traditionally based on handwritten Hardware Description Language (HDL) files. However, High-Level Synthesis (HLS) that promotes automatic or semi-automatic generation of hardware accelerators according to software specification, like C code, allows reducing this complexity.The work proposed in this document targets the integration of verification support in HLS tools to generate On-Chip Monitors (OCMs) during the high-level synthesis of hardware accelerators (HWaccs). Three distinct contributions are proposed. The first one consists in checking the Input / Output timing behavior errors (synchronization with the whole system) as well as the control flow errors (illegal jumps or infinite loops). On-Chip Monitors are automatically synthesized and require no modification in their high-level specification. The second contribution targets the synthesis of high-level properties (ANSI-C asserts) that are added into the software specification of HWacc. Synthesis options are proposed to trade-off area overhead, performance impact and protection level. The third contribution improves the detection of data corruptions that can alter the stored values or/and modify the data transfers without causing assertions violations or producing illegal jumps. Those errors are detected by duplicating a subset of program’s data limited to the most critical variables. In addition, the properties over the evolution of loops induction variables are automatically extracted from the algorithmic description of HWacc. It should be noticed that all the proposed approaches, in this document, allow only detecting errors at runtime. The counter reaction i.e. the way how the HWacc reacts if an error is detected is out of scope of this work.

Cette thèse présente la conception d'un accélérateur matériel dédié à la simulation de circuits intégrés. Sur cet accélérateur sont développés un ensemble de logiciels constituant un environnement intégré de simulation. Nous y discutons tout d'abord des concepts de base de la modélisation des circuits intégrés, de la simulation logico-fonctionnelle, de la simulation de pannes, des langages de description du matériel, ainsi que des techniques d'accélération de la simulation de circuits intégrés. Nous présentons ensuite la structure générale de l'accélérateur. Il est basé sur une architecture parallèle : un réseau en anneau sur lequel sont disposées des unités de simulation, où chaque unité de simulation est composée de trois microprocesseurs exécutant trois tâches respectivement. l'ensemble des logiciels implémentés sur cet accélérateur est présenté. Le simulateur réalise ainsi la simulation multi-niveaux (porte logique, fonctionnel et interrupteur) et la simulation de pannes. Des outils de compilation permettent l'utilisation des langages de description du matériel pour modéliser les circuits intégrés de manière structurelle et fonctionnelle. Enfin, différentes stratégies de parallélisation de la simulation ainsi que plusieurs algorithmes de simulation adaptés aux différents niveaux d'abstraction sont étudiés