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Die zunehmende Digitalisierung unserer Gesellschaft erfordert fortwährenden Schutz von kritischen Informationen mittels kryptographischer Systeme. Algorithmisch sind diese Systeme kaum anzugreifen. Allerdings ermöglichen sogenannte Seitenkanalattacken die Extraktion von geheimen Daten. Eine Art Seitenkanalattacken mit großem Angriffspotential ist die lokalisierte elektromagnetische Analyse. Bei diesem Verfahren werden durch Messung und Analyse der elektromagnetischen Abstrahlung von Teilen der Schaltung Rückschlüsse auf interne Zustände getroffen und dadurch geheime Informationen wie private Schlüssel extrahiert. Der aktuelle Stand der Forschung im Bereich lokalisierter EMA zeigt sowohl erfolgreiche Angriffe als auch Gegenmaßnahmen auf. Jedoch werden in den veröffentlichten Arbeiten keine detaillierten Untersuchungen hinsichtlich der genauen Umsetzung des Layouts der FPGA Implementierungen untersucht, welches die Ursache für den lokalisierten Leakage bildet. Stattdessen werden die Ursachen auf der algorithmischen Ebene des verwendeten kryptographischen Verfahrens betrachtet und ebenfalls eine algorithmische Gegenmaßnahme vorgeschlagen.
In dieser Arbeit wird der Einfluss des Layouts von FPGA und ASIC Implementierungen auf lokalisierte EMA Angriffe untersucht. Dabei spielt insbesondere die Platzierung der Register eine wichtige Rolle. Die Untersuchungen in dieser Arbeit werden genutzt, um weiterführende Maßnahmen zum Schutz von kryptographischen Implementierungen planen zu können.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sowohl das Design selbst als auch die Implementierung als FPGA oder ASIC einen großen Einfluss auf die Angreifbarkeit der Implementierung durch eine lokalisierte EMA haben. So kann die FPGA Implementierung des betrachteten ECC Designs ebenfalls für diese Art von Angriffen verwundbar sein. Aufgrund ihrer Implementierung ist dieser ECC-Beschleuniger insgesamt weniger anfällig als ein Vergleichsdesign aus dem Stand der Forschung. Dennoch konnten potentielle Schwachstellen identifiziert werden, welche die Grundlage für die Planung und Umsetzung von Gegenmaßnahmen darstellen. Bei einer FPGA Implementierung des ECC Beschleunigers ist hauptsächlich die Lage der Flip-Flops im Layout die Ursache für die Anfälligkeit. Dem kann durch eine gleichmäßige Verteilung der Register zusammen mit permanent aktiver Logik entgegengewirkt werden, da die EM Abstrahlung der Logik die der Register überdeckt. Im Gegensatz dazu konnte bei der ASIC Implementierung keine Aussage über den Einfluss von Platzierungsvarianten getroffen werden, da die Einflüsse nicht messbar waren. Allerdings konnte die Verdrahtung auf der obersten Metallschicht als Leakagequelle bestimmt werden. Als Gegenmaßnahme dazu wird vorgeschlagen, durch Constraints die Ausgangssignale von Registern eines kryptographischen Chips nicht bis in die oberste Schicht zu routen.
The design of embedded sensor node hardware systems is a challenging task driven by the increasing demands for low power, high efficiency, low cost and small size. These unique requirements make the usage of off-the-shelf general purpose microcontrollers fairly inefficient. For many wireless sensor network applications, the design of a dedicated low power sensor node microcontroller is the only way to answer specific application requirements. According to the trends in device, process and design technology, the development of sensor node devices is relying on a cheap planar bulk-CMOS technology, where power consumption is dominated by static power loss caused by high leakage currents. To keep the power at acceptable level, designers are compelled to apply the methodologies based on advanced low power techniques that target both static and dynamic power in the chip. The decisions made early in design phase are likely to determine the energy efficiency of the final design. Therefore, the choice of power saving strategy is the key challenge in designing energy-efficient sensor node hardware.
This work presents a methodology that assists designers meeting the critical design decisions regarding power, early in the design process. The presented methodology extracts the activity profiles of single system components and applies them in the developed models for energy estimation of particular low power implementation. The energy estimation models account for the energy overhead introduced by specific low power techniques, enabling comprehensive exploration of system’s energy efficiency in a given application scenario. Special attention is paid to the methodology utilization in typical wireless sensor network applications. Accordingly, the examples of activity profiling in wireless sensor node systems are presented. The proposed methodology is integrated within a power-driven design flow and applied to the design of an embedded sensor node microcontroller. This methodology is used to perform the cross comparison of alternative low power implementations for the target system architecture. The implementation relying on concurrent clock and power gating is selected as the most energy efficient and consequently realised. Power switching cells and power control logic have been designed and characterized. Also, the final system architecture, basic system components and applied design process are described. Finally, the developed power-gated sensor node microcontroller is implemented, fabricated and successfully tested. The chip measurements results are presented and analyzed.
The analysis of different low power approaches applied to the target system architecture has shown large impact of clock gating on the system energy. In a given application scenario, the clock gating implementation has reduced 72 times the dynamic energy and 12 times the total energy of the system. The implementation of power gating technique has gained 2.8 times reduction of the leakage energy and 2 times reduction of the total system energy compared to the clock gating only implementation. The analysis of two alternative power gating approaches has emphasized the significance of partitioning in power-gated design. A heuristic partitioning that combines two specific blocks having successive activity phases into a single power domain, thereby reducing design complexity and chip area, has been shown to have positive impact on the energy efficiency of the target design.