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.

Ce mémoire de maîtrise présente le développement d'une technologie NMOS utilisée en enseignement au 1er et 2e cycle et comme preuve de concepts en recherche à l'Université de Sherbrooke. Le développement est basé sur la technologie JOPE à 6 masques utilisée en enseignement depuis les années 90. Le but de ce projet est d'optimiser ce procédé pour augmenter la reproductibilité des circuits et la densité d'intégration. Les problèmes de JOPE sont une forte résistivité de couche du polySi, une grande résistivité des contacts aluminium/polySi et aluminium/zone active ainsi qu'une grande fluctuation de la tension de seuil des transistors. Le procédé de fabrication JOPE a été optimisé pour créer JOPE2 afin d'améliorer les propriétés physiques des composantes et atteindre les objectifs fixés. Des circuits ont été fabriqués contenant des structures de caractérisations et des circuits numériques et analogiques conçus avec une règle de longueur de grille minimale de 2 [micro]m. La résistivité du polySi de JOPE2 est diminuée d'un facteur 5 en augmentant la température de déposition de la couche par LPCVD et en ajoutant une implantation ionique dédiée en plus de celle déjà prévue avec le procédé autoaligné pour les sources/drains. De cette façon, la résistivité des contacts aluminium à polySi est diminuée d'un facteur 10. La résistivité des contacts aluminium à zone active est diminuée d'un facteur 20 en augmentant la dose d'implantation ionique des sources/drains. JOPE2, tout comme JOPE, présente une variation importante de la tension de seuil causée par les charges d'interfaces Si/SiO[indice inférieur 2] et la variation de la résistivité du substrat utilisée (1 à 10 [oméga]-cm). Le faible rendement du procédé, évalué à 47 %, est causé par la faible stabilité des contacts, la grande densité de défauts et les limitations en ce qui a trait à l'alignement des masques. Pour faire suite à ce projet, un procédé NMOS à 3 [micro]m est recommandé afin d'augmenter le rendement en diminuant l'impact des défauts, améliorant la stabilité des contacts et en augmentant la qualité de l'alignement. De plus, pour augmenter la stabilité de la tension de seuil il est recommandé d'utiliser des tranches hautes résistivité. Le procédé recommandé devrait permettre de fabriquer des circuits complexes basés sur des transistors NMOS avec un rendement de 80 %.

La mesure de temps de vol de photons et/ou de temps de propagation d’ondes RF et ultra large bande est devenue une technique essentielle et indispensable pour de nombreuses applications telles qu’en géolocalisation en intérieur, en détection LASER et en imagerie biomédicale, notamment en tomographie optique diffuse (TOD) avec des mesures dans le domaine temporel (DT). De telles mesures nécessitent des convertisseurs temps-numérique aptes à mesurer des intervalles de temps très courts avec grande précision, et ce, à des résolutions temporelles allant de quelques picosecondes à quelques dizaines de picosecondes. Les scanners TOD-DT ont généralement recours à des cartes électroniques de comptage de photons uniques intégrant essentiellement des convertisseurs temps-numérique hybrides (un mixte de circuits monolithiques et non-monolithiques). Dans le but de réduire le temps d’acquisition de ces appareils et d’augmenter leur précision, plusieurs mesures à différentes positions et longueurs d’ondes doivent pouvoir être effectuées en parallèle, ce qui exige plusieurs cartes de comptage de photons. L’implémentation de tels dispositifs en technologie CMOS apporte de multiples avantages particulièrement en termes de coût, d’intégration et de consommation de puissance. Cette thèse apporte une solution architecturale d’un convertisseur temps-numérique à 10-bits dédié aux applications de TOD-DT. Le convertisseur réalisé en technologie CMOS 0,13 μm d’IBM et occupant une surface en silicium de 1,83 x 2,23 mm[indice supérieur 2] incluant les plots de connexion, présente une résolution temporelle de 12 ps sur une fenêtre de 12 ns pour une consommation en courant de 4,8 mA. Les avantages de l’architecture proposée par rapport à d’autres réalisations rapportées dans la littérature résident dans son immunité face aux variations globales du procédé de fabrication, l’indépendance de la résolution temporelle vis-à-vis de la technologie ciblée et la faible gigue temporelle qu’il présente. Le circuit intégré réalisé trouvera plusieurs champs d’applications autres que la TOD notamment dans les tomographes d’émission par positrons, les boucles à verrouillage de phase numériques et dans les systèmes de télédétection et d’imagerie 3D.

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Les circuits VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) occupent une grande place dans le monde des semi-conducteurs. Leur complexi?cation croissante est due à la demande de plus en plus fortes des grands domaines d’application, de la micro-informatique au spatial. Cependant, la complexité engendre de nombreux défauts que l’on doit prévoir ou détecter et analyser de manière à ne pas les voir se multiplier. De nombreuses techniques d’analyse de défaillance ont été développées et sont toujours largement utilisées dans les laboratoires. Cependant, nous nous sommes attachés à intégrer une nouvelle approche au processus de défaillance : la simulation de fautes dans les circuits VLSI et ULSI de technologie CMOS. Ce type d’approche permet d’aborder une analyse plus rapidement plus facilement, mais joue également un rôle prédictif de défaut dans les structures de transistors MOS. / VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) take the most important place in semi-conductor domain. Their complexi?cation is growing and is due to the bigger and bigger request from the manufacturers such as automotive domain or space application. However, this complexicity generates a lot of defects inside the components. We need to predict or to detect and analyze these defects in order to stop these phenomena. Lot of failure analyzis techniques were developped inside the laboratories and are still used. Nevertheless, we developped a new approach for failure analysis process : the faults simulation for CMOS integrated circuits. This particular kind of approach allows us to reach the analysis in more e?ective and easier way than usual. But the simulations play a predictive role for structures of MOS transistors.

Durant la dernière décennie, la miniaturisation des technologies de semi-conducteurs et de l’intégration à grande échelle a donné lieu à la conception de systèmes complexes, notamment l’intégration de plusieurs milliards de transistors sur un même die. Cette tendance pose de nombreux défis de fabrication et de fiabilité tels que la dissipation de puissance, la variabilité technologique et la polyvalence des applications. Les problèmes de fiabilité, représentées par la présence de points chauds thermiques peuvent accélérer la dégradation des transistors, et par conséquent réduire la durée de vie des puces, également appelée "vieillissement". Afin de relever ces défis, de nouvelles solutions sont nécessaires, basées notamment sur des systèmes auto-adaptatifs. Ces systèmes sont principalement composées d’une boucle de contrôle avec trois processus : (i) la surveillance, qui est chargée d’observer l’état du système, (ii) la prise de décision, qui analyse les informations collectées et prend des décisions pour optimiser le comportement du système et (iii) l’action qui ajuste les paramètres du système en conséquence. Cependant, une adaptation dépendre de façon critique sur le processus de suivi qui devrait fournir une estimation précise sur l’état du système de façon rentable. Dans cette thèse, nous étudions d’abord le suivi de la consommation d’énergie. Nous développons une méthode basée sur plusieurs algorithmes de fouille de données "data mining", pour surveiller l’activité de commutation sur quelques signaux pertinents sélectionnés au niveau RTL. La méthode proposée se compose d’un flot générique qui peut être utilisé pour modéliser la consommation d’énergie pour n’importe quel circuit RTL sur n’importe quelle technologie. Deuxièmement, nous améliorons le flot proposé pour estimer le comportement thermique globale de puce et de développer une nouvelle technique de placement des capteurs thermique sur puce. Les algorithmes proposés choisissent systématiquement le meilleur compromis entre la précision de l’observation et le coût représenté par le nombre de capteurs intégrés sur puce. La surface de la puce est décomposée en plusieurs zones thermiquement homogènes.Outre la partie conception, les systèmes embarqués modernes intègrent des capteurs matériels (analogiques ou numériques) qui peuvent être utilisés pour surveiller l’état du système. Ces méthodes industrielles sont généralement très coûteuses et nécessitent un grand nombre d’unités pour produire des informations précises avec une résolution à grain fin. Une solution alternative pour fournir une estimation précise de l’état du système est réalisée avec un ensemble de compteurs de performance qui peut être configuré pour effectuer le suivi des événements logiques à différents niveaux. Dans ce cas, nous proposons un nouvel algorithme pour la sélection des événements performance pertinents à partir des ressources locales, partagées et système. Nous proposons ensuite une implémentation d'un algorithme d'estimation basé sur un réseau neuronal. La méthode proposée est robuste contre les variations de température extérieure. En outre, estimation thermique est aussi peut être réalisé en utilisant les événements logiques actuelles et historiques, et la précision est évaluée sur la base de la profondeur dans le passé.Enfin, une fois la méthode de suivi et la cible définies et le système est configuré, la méthode de surveillance doit être utilisée au moment de "Run-time". Nous avons mis en place une boucle d’adaptation complète, avec un suivi dynamique de l’état du système afin atteindre une meilleure efficacité énergétique. / Over the last decade, the miniaturization of semiconductor technologies and the large-scale integration has given rise to complex system design, including the integration of several billions of transistors on a single die. This trend poses many manufacturing and reliability challenges such as power dissipation, technological variability and application versatility. The reliability issues represented by the presence of thermal hotspots can accelerate the degradation of the transistors, and consequently reduce the chip lifetime, also referred to as “aging”. In order to address these challenges, new solutions are required, based in particular on self-adaptive systems. Such systems are mainly composed of a control loop with three processes: (i) the monitoring, which is responsible for observing the state of the system, (ii) the diagnosis, which analyzes the information collected and makes decisions to optimize the behavior of the system, and (iii) the action that adjusts the system parameters accordingly. However, effective adaptations depend critically on the monitoring process that should provide an accurate estimation about the system state in a cost-effective manner. In this thesis, we firstly investigate the monitoring of the power consumption. We develop a method, based on several data mining algorithm, to monitor the toggling activity on a few relevant signals selected at the RTL level. The proposed method consists of a generic flow that can be used to model the power consumption for any RTL circuit on any technology. Secondly, we improve the proposed flow by estimating the overall chip thermal behavior and developing a new technique of on-die thermal sensor placement. The proposed algorithms systematically choose the best trade-off between accuracy and overhead. The surface of the chip is decomposed into several thermally homogeneous regions.Besides the design part, modern embedded systems integrates hardware sensors (analog or digital) that can be used to monitor the system’s state. These industrial methods are usually very expensive, and require a large number of units to produce precise information at a fine-grained resolution. An alternative solution to provide an accurate estimation of system’s state is achieved with a set of performance counters that can be configured to track logical events at different levels. To this end, we propose a novel algorithm for the selection of the relevant performance events from the local, shared and system resources. We propose then an implementation of a neural network based estimation algorithm. The proposed method is robust against the external temperature variations. Furthermore, thermal estimation is also can be achieved using the current and historic logical events, and the accuracy is evaluated on the basis of the depth in the past.Finally, once the tracking method and target are defined and the system is configured, the monitoring method should be used at “Run-time”. We implemented a complete adaptation loop, with a dynamic monitoring of the system’s state in order to achieve better energy efficiency.

De nos jours, le LASER reste l'outil le plus efficace et le plus utilisé pour injecter des fautes au sein des micro-contrôleurs sécurisés modernes. Parmi ses principaux avantages nous pouvons citer ses fortes résolutions spatiale et temporelle. Ces avantages ne sont toutefois accessibles qu'au prix d'investissements conséquents en temps et argent avec un coût oscillant entre deux et quatre centaines de milliers d'euros selon la qualité du LASER.Outre ces aspects financiers, la publication par les scientifiques, ainsi que l'intégration par les fabricants de cartes à puce, de contre-mesures efficaces, comme les détecteurs de lumière, ont incité aux développements de techniques d'injection de fautes alternatives et à coûts plus modérés. Parmi ces techniques alternatives, nous trouvons les techniques d'injection de faute(s) par médium électromagnétique qui permettent de perturber le comportement des circuits. C'est dans ce contexte que cette thèse présente les principaux effets de ce type d'injection de fautes en procédant à une première décomposition face avant face arrière, puis à une seconde lié à la forme du signal perturbateur utilisé (harmonique ou pulsé). Nous avons ainsi pu mettre en exergue des effets de coulage avec les lignes de métallisations mais aussi des effets de Forward sur le circuit cible. / Nowadays, LASER remains the tool the most effective and most used to inject faults within the modern secure microcontrollers. Among its main advantages we can quote its strong spatial and temporal resolutions. These advantages are however accessible only to the price of consequent investments in time and money with a cost oscillating between two and four hundreds of thousand euro according to the quality of the LASER. Besides these financial aspects, the publication by scientists, as well as the integration by the manufacturers of smart cards, effective countermeasures, as light detectors, incited to the development of alternative faults injection techniques with moderate costs. Among these alternative techniques, we find the electromagnetic fault injection techniques which allow perturbing the behavior of circuits. It is in this context that this thesis presents the main effects of this kind of fault injection by proceeding to a first decomposition in front side and back side, then in one second bound to the shape of the disturbing signal (harmonic or pulsed) used. So, we highlight coupling effects with metals lines but also a Forward effect on the target circuit.

De nos jours, de plus en plus de circuits électroniques sont utilisés pour des usages critiques, tels le paiement ou l’identification. Ces circuits peuvent ainsi susciter l’intérêt de personnes malveillantes. Parmi toutes les méthodes permettant d’obtenir les clés de chiffrement, l’illumination du circuit à l'aide d'un laser est une des méthodes particulièrement efficace. Il est donc important de pouvoir prémunir les circuits sécurisés de ces attaques. Cependant, afin de tester la résistance du circuit face à l’injection laser, il est nécessaire de réaliser des injections sur celui-ci. Si le circuit ne correspond pas aux exigences sécuritaires, il est donc nécessaire de le modifier, ce qui induit un coût important en termes de temps de conception et de coût de fabrication. Afin de prédire l’effet de l’illumination laser et donc éviter ce surcoût, des simulateurs et des modèles électriques modélisant l’effet d’une illumination laser ont été développé.Dans un premier temps, nous décrivons le phénomène physique lié à l’injection laser (effet photoélectrique) qui conduit à la génération de faute dans le circuit. Puis nous donnons une description des premiers modèles électriques de simulation d’injection laser, utilisant des sources de courant afin de représenter l’effet de l’illumination dans le silicium.Ensuite, nous présentons une mise en pratique d’attaques sur un crypto processeur implémentant un AES 128. Cette expérience a permis de comparer les deux méthodes d’injections possibles avec un laser, l’injection par la face avant et par la face arrière. Il ressort de cette comparaison que la cible et le matériel d’injection à disposition sont un élément important dans le choix de la méthode d’injection. En effet, il est possible pour certains circuit d’obtenir plus de fautes exploitables (mono-bit ou mono-octet) en injectant par la face avant avec un faisceau large que par la face arrière avec un faisceau aussi large. Cet effet s’explique par un filtrage des lignes de métaux, présentes au-dessus du silicium, qui ont pour effet de réduire la zone de silicium illuminée.Nous nous intéressons ensuite à la validité des modèles électriques d’injection laser pour les technologies les plus récentes. Nous avons donc développé des nouveaux modèles sur les technologies bulk et CMOS Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI). De par sa structure, le transistor CMOS FDSOI semble à priori plus résistant à l’injection laser que le transistor CMOS bulk. Cette observation est validée par l’expérience.Finalement, nous réalisons des injections sur un élément de mémorisation (chaîne de bascules DFF). Ces expériences ont montré que malgré la plus grande résistance d’une technologie CMOS FDSOI très récentes, il est possible d’injecter des fautes dans les bascules. Avec un faisceau laser d’un micromètre, pour cette bascule, il est même possible suivant la zone d’injection de choisir le type de faute injectée. Malgré le fait que l’injection soit toujours possible pour ces technologies, la technologie CMOS FDSOI est plus résistante car la différence entre le seuil énergétique d’injection de faute et de casse est plus faible et aussi par l’effet d’une « casse » lors de plusieurs injections successives.En conclusion, les travaux précédents ont permis de mettre à jour et de développer de nouveaux modèles électriques d’injection laser pour des technologies CMOS bulk et FDSOI très récentes et de comparer ces deux technologies face à l’injection laser. Il en ressort que malgré une injection de faute encore possible pour ces deux technologies, l’injection est plus difficile lorsque le circuit est implanté en technologie CMOS FDSOI. / Nowadays, more and more microelectronic circuits are used for critical purposes, such as payment or identification. Then those circuit sparked interest form attackers. Among the different ways to retrieve the cipher key, laser illumination is a very efficient one. Thereby, the protection of the circuit against these attacks becomes an important point for designers. However, to determine the resistance of a circuit against laser injection, laser illumination has to be performed. If the circuit do not match the security requirement, it has to be changed, which represent a large cost in terms of design time and fabrication cost. In order to predict the effect of a laser injection, electrical model and simulator have been developed.First, a description of the physical phenomenon (photoelectric effect), which leads to the fault injection in the circuit, is given. Then a description of the first electrical model developed using current sources to model the illumination effect.Then, a practical attack is performed on a crypto processor implanting the AES algorithm. This experimentation allows us to compare the two ways of laser injections, injection from the front side or the back side of the circuit. It comes out that the best way of injection depends on the circuit aimed and the laser bench at disposal of the attacker. Indeed, on the studied circuit, better exploitable fault can be injected, from the front side injection with a large laser spot than from the back side with the same laser spot size. This result can be explained by the effect of the metal lines above the circuit, which reduce the area of illuminated silicon.We discuss then about the validity of the electrical model for more recent technology nodes. Thus a new electrical model is developed for more recent CMOS bulk and Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) technologies. From its transistor structure, the CMOS FDSOI technology seems to be more resistant to laser injection than the CMOS bulk technology. This observation is confirmed by experimentation.Finally, we perform laser injection on a memory element (here a flip-flop chain). These experimentations show that even if the CMOS FDSOI technology seems to be more resistant, fault can be injected. With a one micro meter laser spot, the attacker can inject the wanted fault type in the flip-flop (bit set or bit reset) on 28nm CMOS bulk and FDSOI technologies. Even if, the fault injection is still possible, from the attacker point of view, fault injection is more difficult in a circuit using the CMOS 28nm FDSOI technology than the CMOS 28nm bulk one. Indeed, the gap between the fault injection threshold and the breaking threshold is narrower for the FDSOI than the bulk. Moreover, a breaking phenomenon has been observed in the FDSOI technology when multiple laser shot are performed in the same place.To conclude, the previous work allows updating and developed a new electrical model for the recent CMOS bulk and FDSOI technology under illumination, to compare those technologies against laser illumination. It comes out, that even if fault injection is possible for both technologies, the practical attack is more difficult to achieve on a CMOS FDSOI circuit.

L'objet de cette thèse est la conception d'outils pour l'automatisation du processus de conception d'outils pour l'automatisation du processus de conception des circuits intégrés. Ces outils sont appelés compilateurs de silicium. Le premier chapitre décrit brièvement le contexte de cette thèse. Le second chapitre est une introduction générale a la compilation de silicium. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux compilateurs de comportements, ils permettent de générer l'architecture d'un circuit en partant de sa description comportementale. Les techniques mises en œuvre par ces compilateurs sont discutées dans le troisième chapitre. Le quatrième chapitre présente le compilateur de silicium Syco. Syco permet de générer la description physique d'un circuit en partant de sa description comportementale. Le processus de compilation a été simplifie par l'utilisation d'un certain nombre de modelès pre-definis. Les circuits générés sont composes d'une partie opérative parallèle et d'une partie contrôle hiérarchique

L'environnement radiatif spatial provoque des anomalies dans les systèmes informatiques embarques. Il est donc primordial de définir des stratégies de qualification permettant le choix du circuit le moins vulnérable. Le phénomène dit d'Upset est l'un des effets du rayonnement le plus critique pour les circuits intégrés. Les différentes stratégies de test d'Upset sont passées en revue, dans le cas des circuits intégrés programmables. Un équipement expérimental de test a été développé et une methode de test a été appliquée a des circuits candidats a des applications spatiales. Les tests aux ions lourds ont été réalisés a l'aide de différents simulateurs d'ions lourds (source de californium, cyclotron, synchrotron), validant ainsi le matériel et l'approche développes et donnant des indications sur l'efficacité de ces simulations