As FPGA use becomes more diverse, the shared use of these devices becomes a security concern. Multi-tenant FPGAs that contain circuits from multiple independent sources or users will soon be prevalent in cloud and embedded computing environments. The recent discovery of a new attack vector using neighboring long wires in Xilinx SRAM FPGAs presents the possibility of covert information leakage from an unsuspecting user's circuit. The work makes two contributions that extend this finding. First, we rigorously evaluate several Intel SRAM FPGAs and confirm that long wire information leakage is also prevalent in these devices. Second, we present the first successful attack on an unsuspecting circuit in an FPGA using information passively obtained from neighboring long-lines. Information obtained from a single AES S-box input wire combined with analysis of encrypted output is used to rapidly expose an AES key. This attack is performed remotely without modifying the victim circuit, using electromagnetic probes or power measurements, or modifying the FPGA in any way. We show that our approach is effective for three different FPGA devices. Our results demonstrate that the attack can recover encryption keys from AES circuits running at 50MHz. Finally, we present results from the AES attack performed using a cloud FPGA in a Microsoft Project Catapult cluster. These experiments show the effect can be used to attack a remotely-accessed cloud FPGA.

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This project describes the implementation of an LZ4 compression algorithm in a C/C++-like language, that can be used to generate VHDL programs for FPGA integrated circuits embedded in accelerated network interface controllers (NICs). Based on the algorithm specification, software versions of LZ4 compressor and decompressor are implemented, which are then transformed into a synthesizable language, that is then used to generate fully functional VHDL code for both components. Execution time and compression ratio of all implementations are then compared. The project also serves as a demonstration of usability and influence of high-level synthesis and high-level approach to design and implementation of hardware applications known from common programming languages.

La thèse porte sur l'impact d'optimisations algorithmiques pour la synthèse automatique HLS pour ASIC. Ces optimisations algorithmiques sont des transformations de haut niveau, qui de part leur nature intrinsèque restent hors de porter des compilateurs modernes, même les plus optimisants. Le but est d'analyser l'impact des optimisations et transformations de haut niveau sur la surface, la consommation énergétique et la vitesse du circuit ASIC. Les trois algorithmes évalués sont les filtres non récursifs, les filtres récursifs et un algorithme de détection de mouvement. Sur chaque exemple, des gains ont été possibles en vitesse et/ou en surface et/ou en consommation. Le gain le plus spectaculaire est un facteur x12.6 de réduction de l'énergie tout en maitrisant la surface de synthèse et en respectant la contrainte d'exécution temps réel. Afin de mettre en perspective les résultats (consommation et vitesse), un benchmark supplémentaire a été réalisé sur un microprocesseur ST XP70 avec extension VECx, un processeur ARM Cortex avec extension Neon et un processeur Intel Penryn avec extensions SSE. / The thesis deals with the impact of algorithmic transforms for HLS synthesis for ASIC. These algorithmic transforms are high level transforms that are beyond the capabilities of modern optimizing compilers. The goal is to analyse the impact of the High level transforms on area execution time and energy consumption. Three algorithms have been analyzed: non recursive filters, recursive filter and a motion detection application. On each algorithm, the optimizations and transformations lead to speedups and area/surface gains. The most impressive gain in energy reduction is a factor x12.6, while the area remains constant and the execution time smaller than the real-time constraint. A benchmark has been done on SIMD general purpose processor to compare the impact of the high level transforms: ST XP70 microprocessor with VECx extension, ARM Cortex with Non extension and Intel Penryn with SSE extension.

La thèse porte sur l'impact d'optimisations algorithmiques pour la synthèse automatique HLS pour ASIC. Ces optimisations algorithmiques sont des transformations de haut niveau, qui de part leur nature intrinsèque restent hors de porter des compilateurs modernes, même les plus optimisants. Le but est d'analyser l'impact des optimisations et transformations de haut niveau sur la surface, la consommation énergétique et la vitesse du circuit ASIC. Les trois algorithmes évalués sont les filtres non récursifs, les filtres récursifs et un algorithme de détection de mouvement. Sur chaque exemple, des gains ont été possibles en vitesse et/ou en surface et/ou en consommation. Le gain le plus spectaculaire est un facteur x12.6 de réduction de l'énergie tout en maitrisant la surface de synthèse et en respectant la contrainte d'exécution temps réel. Afin de mettre en perspective les résultats (consommation et vitesse), un benchmark supplémentaire a été réalisé sur un microprocesseur ST XP70 avec extension VECx, un processeur ARM Cortex avec extension Neon et un processeur Intel Penryn avec extensions SSE.