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Investigation of sensitivity of different logic and memory cells to Laser Fault Injections

Untersuchung der Empfindlichkeit verschiedener Logik- und Speicherzellen gegenüber Laserfehlerinjektionen

  • Plenty of semiconductor devices are developed to operate with private data. To guarantee data privacy cryptographic algorithms are used, where the secrecy is based on the used keys. Theoretically, the cryptographic algorithms using keys with recommended lengths are secure. The issue is that a potential attacker can steal the devices and attack in a lab. Physical attacks are usually aimed to perturb normal operation of a device and to extract cryptographic keys, e.g. by means of fault injection (FI). One class of FI attacks exploits the sensitivity of semiconductor devices to light and are performed using a laser as the light source. This work investigates the sensitivity of different logic and memory cells to optical Fault Injection attacks. Front-side attacks against cells manufactured in different IHP technologies were performed using two different red lasers controlled by Riscure software. To reach the repeatability of the experimental results and to increase the comparability of the results with attack results published inPlenty of semiconductor devices are developed to operate with private data. To guarantee data privacy cryptographic algorithms are used, where the secrecy is based on the used keys. Theoretically, the cryptographic algorithms using keys with recommended lengths are secure. The issue is that a potential attacker can steal the devices and attack in a lab. Physical attacks are usually aimed to perturb normal operation of a device and to extract cryptographic keys, e.g. by means of fault injection (FI). One class of FI attacks exploits the sensitivity of semiconductor devices to light and are performed using a laser as the light source. This work investigates the sensitivity of different logic and memory cells to optical Fault Injection attacks. Front-side attacks against cells manufactured in different IHP technologies were performed using two different red lasers controlled by Riscure software. To reach the repeatability of the experimental results and to increase the comparability of the results with attack results published in literature the setup parameters as well as setting parameters of the Riscure software were experimentally evaluated. Attacks were performed against inverter, NAND, NOR, flip-flop cells from standard libraries, radiation-hard flip-flops based on Junction Isolated Common Gate technique, radiation-tolerant Triple Modular Redundancy registers as well as non-volatile Resistive Random Access Memory (RRAM) cells. The results of attacks against volatile circuits were successful transient bit-set and bit-reset as well permanent stuck-at faults. The results of attacks against RRAM cells were successful in the sense that manipulation of all RRAM logic states was feasible. The faults injected during the performed experiments were repeatable and reproducible. The goal of this work was not only to achieve successful FI but also to determine cell area(s) sensitive to laser illumination. Knowledge about areas sensitive to laser illumination can be used by designers to implement corresponding countermeasure(s) at the initial stage of chip development and is the necessary step to design appropriate countermeasures. For example, metal fillers can be applied as optical obstacles reducing the success of front-side FI attacks, i.e. as a possible low-cost countermeasure. Based on the knowledge of the sensitive cell areas, the placement of the metal fillers can be automated in the future, i.e. the findings given in the work can serve as a basis for a methodology development for improving resistance against optical FI attacks at the initial stage of chip development. Such methodology can be adapted for each chip manufacturing technology.show moreshow less
  • Viele Halbleitergeräte werden zur Verarbeitung sensibler Daten verwendet. Zur Gewährleistung des Datenschutzes werden kryptografische Algorithmen eingesetzt, deren Geheimhaltung auf den verwendeten Schlüsseln basiert. In der Theorie sind kryptografische Algorithmen, welche Schlüssel mit empfohlenen Längen verwenden, sicher. Das Problem ist, dass ein potenzieller Angreifer die Geräte entwenden und in einem Labor angreifen kann. Aktive physikalische Angriffe zielen in der Regel darauf ab, den normalen Betrieb eines Geräts zu stören und kryptografische Schlüssel zu extrahieren, z. B. durch Fehlerinjektion (FI). Eine Klasse von FI-Angriffen nutzt die Lichtempfindlichkeit von Halbleitergeräten aus und wird mit einem Laser durchgeführt. Die Arbeit untersucht der Empfindlichkeit verschiedener Logik- und Speicherzellen gegenüber optischen FI-Angriffen. Es wurden frontseitige Angriffe auf Zellen durchgeführt, die in verschiedenen IHP-Technologien hergestellt wurden. Hierbei kamen zwei verschiedene rote Lasern zum Einsatz, die mit Hilfe derViele Halbleitergeräte werden zur Verarbeitung sensibler Daten verwendet. Zur Gewährleistung des Datenschutzes werden kryptografische Algorithmen eingesetzt, deren Geheimhaltung auf den verwendeten Schlüsseln basiert. In der Theorie sind kryptografische Algorithmen, welche Schlüssel mit empfohlenen Längen verwenden, sicher. Das Problem ist, dass ein potenzieller Angreifer die Geräte entwenden und in einem Labor angreifen kann. Aktive physikalische Angriffe zielen in der Regel darauf ab, den normalen Betrieb eines Geräts zu stören und kryptografische Schlüssel zu extrahieren, z. B. durch Fehlerinjektion (FI). Eine Klasse von FI-Angriffen nutzt die Lichtempfindlichkeit von Halbleitergeräten aus und wird mit einem Laser durchgeführt. Die Arbeit untersucht der Empfindlichkeit verschiedener Logik- und Speicherzellen gegenüber optischen FI-Angriffen. Es wurden frontseitige Angriffe auf Zellen durchgeführt, die in verschiedenen IHP-Technologien hergestellt wurden. Hierbei kamen zwei verschiedene rote Lasern zum Einsatz, die mit Hilfe der Riscure-Software gesteuert wurden. Um die Wiederholbarkeit der experimentellen Ergebnisse sicherzustellen und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit in der Literatur veröffentlichten Angriffsergebnissen zu erhöhen, wurden die Setup-Parameter sowie Einstellungsparameter der Riscure-Software experimentell bewertet. Es wurden Angriffe auf Inverter, NAND, NOR, Flip-Flops aus Standardzellenbibliotheken, strahlungsharte Flip-Flops auf Basis der Junction Isolated Common Gate Technik, strahlungstolerante Triple Modular Redundancy Register sowie nichtflüchtige Resistive Random Access Memory (RRAM) Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse der Angriffe auf flüchtige Schaltkreise waren erfolgreiche transiente Bit-Setz- und Bit-Rücksetz- sowie permanente stuck-at-Fehler. Die Ergebnisse der Angriffe auf RRAM-Zellen waren insofern erfolgreich, als alle logischen Zustände des RRAM manipuliert werden konnten. Die während der durchgeführten Experimente eingebrachten Fehler waren wiederholbar und reproduzierbar. Das Ziel der Arbeit bestand nicht nur darin, erfolgreiche FI zu demonstrieren, sondern auch in der Identifizierung Zellbereiche, die empfindlich auf Laserbeleuchtung reagieren. Das Wissen um die Bereiche kann von Entwicklern genutzt werden, um geeignete Gegenmaßnahmen in der Anfangsphase der Chipentwicklung zu implementieren. Eine mögliche kostengünstige Gegenmaßnahme besteht beispielsweise in der Verwendung von Metallfüllern als optische Hindernisse, um den Erfolg von frontseintigen Angriffen zu verringern. Basierend auf dem Wissen über empfindliche Zellbereiche kann die Platzierung von Metallfüllern automatisiert werden. Das bedeutet, dass die in dieser Arbeit gemachten Feststellungen als Grundlage für die Entwicklung einer Methodik dienen, um die Resistenz gegen optische FI-Angriffe bereits in der Anfangsphase der Chipentwicklung nachzuweisen. Eine solche Methodik kann für jede Chip-Herstellungstechnologie angepasst werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Dmytro PetrykORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66647
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6664
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Christian Wenger, Prof. Dr.-Ing. Petr Fišer, Prof. Dr.-Ing. Miloš Krstić, Hon. Prof. Dr.-Ing. Zoya Dyka
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2024
Date of final exam:2024/02/15
Release Date:2024/03/07
Tag:Empfindliche Zellbereiche; Gegenmaßnahme; Laserfehlerinjektion-Angriffe; Resistiver Direktzugriffsspeicher; Strahlungsharte Zellen
Cell sensitive areas; Countermeasure; Laser fault injection attacks; Radiation-hard cells; Resistive random access memory
GND Keyword:Halbleiter; Speicherzelle; Datenschutz; Kryptologie; Algorithmus
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Halbleitermaterialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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