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WO2004027688A2 - Alimentation d'un circuit de traitement asynchrone de donnees - Google Patents

Alimentation d'un circuit de traitement asynchrone de donnees Download PDF

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WO2004027688A2
WO2004027688A2 PCT/FR2003/050055 FR0350055W WO2004027688A2 WO 2004027688 A2 WO2004027688 A2 WO 2004027688A2 FR 0350055 W FR0350055 W FR 0350055W WO 2004027688 A2 WO2004027688 A2 WO 2004027688A2
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energy
supply
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Vincent Deveaud
Pierre-Yvan Liardet
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Stmicroelectronics Sa
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    • G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
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    • G06F21/75—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer to assure secure computing or processing of information by inhibiting the analysis of circuitry or operation
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    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • G06K19/073—Special arrangements for circuits, e.g. for protecting identification code in memory

Definitions

  • the present invention relates to integrated circuits or integrated circuit elements performing asynchronous processing of digital data.
  • the invention relates more particularly to circuits handling data which it is desired to protect, for example, confidential data or authentication keys.
  • a common type of data attack on an integrated circuit executing secure algorithms is to analyze the consumption of the integrated circuit or the part of it executing the algorithm handling secret data.
  • Such attacks by consumption analysis are known by the abbreviations SPA (Single Power Analysis) or DPA (Differential Power Analysis) and consist in analyzing the consumption of an integrated circuit as a function of the data which it processes in order to discover supposed data. be secret.
  • the circuit In an asynchronously operating circuit, the circuit provides the output data along with information that this data is available, once it has completed processing.
  • An attack by analyzing the consumption of an asynchronous circuit consists in observing the energy peaks which in fact correspond to data (at the times when this data is processed). It is then possible, for a hacker, to discover the algorithm or the secret data manipulated.
  • a known solution consists in adding additional processing circuits, useless for the secure process proper, but which consume energy when they handle the data.
  • the data handled by the asynchronous process to be protected are then in a way masked by the energy taken up by the additional processing circuits.
  • the effectiveness of such a solution is in a way proportional to the number of additional processing circuits provided, therefore to the additional space requirement in the integrated circuit, it only increases the number of possible data combinations. that the hacker should assess.
  • the present invention aims to propose another solution for protecting the execution of an asynchronous algorithmic process against attacks by analysis of the consumption of the integrated circuit or of the part of the circuit executing this process.
  • the present invention aims in particular to propose a solution whose effectiveness is not linked to the additional bulk in the integrated circuit.
  • the invention also aims to propose a solution which does not simply result in an increase in the possible combinations to be examined by the pirate.
  • the present invention provides a method of supplying an asynchronous calculation element of an integrated circuit, consisting in making randomly vary the instantaneous supply energy of the calculation element.
  • the instantaneous energy supplied to the calculation element is distributed randomly, in a predetermined pole window, the total energy in the window being predetermined.
  • the total energy supplied to the calculation element in the time window is determined as a function of the maximum possible consumption of the calculation element.
  • the present invention also provides a power supply circuit for at least one asynchronous processing element of an integrated circuit, comprising a variable power element controlled randomly or pseudo-randomly. According to an embodiment of the present invention, said variable supply element varies the supply voltage of the asynchronous processing element.
  • variable supply element is controlled by a pseudo-random generator.
  • FIG. 1 shows, very schematically and in the form of blocks, an embodiment of a supply circuit for an asynchronous computing element according to the present invention
  • FIG. 2 illustrates, by a timing diagram, an embodiment of the feeding method according to the invention.
  • a feature of the present invention is to randomly vary the energy supplied to the asynchronous processing element of the data to be protected.
  • the present invention takes advantage of the fact that, in an asynchronous processing element, an energy defect with respect to the energy necessary for handling a data item does not result in an operating error but simply in a delay in data processing. In fact, an asynchronous processing element somehow waits for the energy necessary for processing to continue its calculation.
  • the energy source is sufficient to supply the processing element with all the energy it requires at all times.
  • the energy supplied to the processing element is imposed.
  • the only counterpart of the implementation of the invention is an extension of the execution time.
  • This execution time can however be maintained in a predetermined window thanks to a pseudo-random generation.
  • FIG. 1 represents, in a very schematic way and in the form of blocks, an embodiment of a supply circuit for an element 1 of asynchronous execution of a data processing algorithm (ASYNC-ALGO).
  • ASYNC-ALGO asynchronous execution of a data processing algorithm
  • the asynchronous computational element can be diagrammed as a circuit receiving input data E, supplying output data S and exchanging control signals (CTRL) with the rest of the integrated circuit (for example, with a microprocessor not shown).
  • CTRL control signals
  • the control signals is in particular the signal by which the element 1 indicates to the rest of the integrated circuit that the output data S are available.
  • circuit 1 is supplied by means of circuit 2 (VAR).
  • Circuit 2 supplies variable energy to circuit 1 and is supplied by a voltage Valim, for example, the supply voltage of the integrated circuit.
  • Valim for example, the supply voltage of the integrated circuit.
  • the energy variation can be carried out in voltage or in current, respecting if necessary the minimum supply constraints (for example, in voltage level) so as not to lose the data during processing by the asynchronous circuit 1.
  • the circuit 2 for varying the supply is controlled by a pseudo-random generator 3 (PRG) in order to distribute the energy randomly while respecting a predetermined time window T corresponding to the desired duration for the execution of the calculation.
  • PRG pseudo-random generator 3
  • the generator 3 receives the setpoint T, for example, from the central unit of the integrated circuit fixing the time window. In the case where the same integrated circuit contains several distinct asynchronous processing elements, these can be supplied separately from each other or in common by means of the same variable generator 2.
  • Figure 2 illustrates the operation of the circuit of Figure 1 by a flow diagram representing the energy (PW) supplied to circuit 1 in a time window T for executing the calculation.
  • An advantage of the present invention is that it makes it possible to mask the data handled by an asynchronous element in a particularly efficient manner and, in particular, without this resulting in an increase in the combinations to be examined by the possible hacker. In fact, no additional processing (calculation) of the data is provided for by the invention. Consequently, the efficiency of the system is not linked to the increase in the size of the processing circuits.
  • Another advantage of the invention is that it does not require any modification of the asynchronous processing element proper. We just intervene on its diet. This advantage leads in particular to the fact that the invention can be implemented in any existing asynchronous processing process without causing modifications to the calculation part of the existing integrated circuit.
  • Another advantage of the present invention is that it does not generate additional energy consumption for the execution of the calculation itself, unlike solutions requiring additional processing circuits.
  • the present invention is susceptible to various variants and modifications which will appear to those skilled in the art.
  • determining the possible minimum energy level that must be supplied to an asynchronous processing element to preserve the data which it is processing depends on the application and the person skilled in the art will be able to set the appropriate thresholds. For example, it is possible to fix a minimum supply voltage threshold and to randomly vary the supply voltage of the processing circuit within a predetermined range.
  • the production of a generator of a random or pseudo-random setpoint uses conventional means which are within the reach of those skilled in the art.

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Abstract

L’invention concerne un procédé et circuit d’alimentation d’un élément de calcul asynchrone (1) d’un circuit intégré, dans lequel on fait varier aléatoirement l’énergie instantanée d’alimentation de l’élément de calcul.

Description

ALIMENTATION D'UN CIRCUIT DE TRAITEMENT ASYNCHRONE DE DONNEES
La présente invention concerne les circuits intégrés ou éléments de circuit intégré exécutant de façon asynchrone des traitements de données numériques. L'invention concerne plus particulièrement les circuits manipulant des données que l'on souhaite protéger, par exemple, des données confidentielles ou des clés d'authentification.
Un type répandu d' attaque de données d 'un circuit intégré exécutant des algorithmes sécurisés consiste à analyser la consommation du circuit intégré ou de la partie de celui-ci exécutant l'algorithme manipulant des données secrètes. De telles attaques par analyse de consommation sont connues sous des abréviations SPA (Single Power Analysis) ou DPA ( Differential Power Analysis) et consistent à analyser la consommation d'un circuit intégré en fonction des données qu'il traite afin de découvrir des données censées être secrètes.
Dans un circuit fonctionnant de façon asynchrone, le circuit fournit les données de sortie en même temps qu'une information comme quoi ces données sont disponibles, une fois qu'il a terminé le traitement. Une attaque par analyse de la consommation d'un circuit asynchrone consiste à observer les pics d'énergie qui correspondent en fait à des données (aux instants où ces données sont traitées) . Il est alors possible, pour un pirate, de découvrir l'algorithme ou les données secrètes manipulées.
Pour essayer de masquer les traitements de données, une solution connue consiste à ajouter des circuits de traitement supplémentaires, inutiles pour le processus sécurisé proprement dit, mais qui consomment de l'énergie lorsqu'ils manipulent les données. Les données manipulées par le processus asynchrone à protéger sont alors en quelque sorte masquées par l'énergie prélevée par les circuits de traitement additionnels. Outre le fait que l'efficacité d'une telle solution est en quelque sorte proportionnelle au nombre de circuits de traitement supplémentaires prévus, donc à l'encombrement supplémentaire dans le circuit intégré, elle ne fait qu'augmenter le nombre de combinaisons de données possibles que le pirate doit évaluer.
En fait, si la consommation additionnelle dépend des données traitées, ces données restent vulnérables. Si la consommation additionnelle est indépendante des données traitées, elle représente en quelque sorte un bruit qui peut être éliminé par des méthodes statistiques.
En outre, ajouter des traitements augmente la consommation.
La présente invention vise à proposer une autre solution pour protéger l'exécution d'un processus algorithmique asynchrone contre des attaques par analyse de la consommation du circuit intégré ou de la partie de circuit exécutant ce processus.
La présente invention vise notamment à proposer une solution dont l'efficacité ne soit pas liée à l'encombrement supplémentaire dans le circuit intégré. L'invention vise également à proposer une solution qui ne se traduise pas simplement par une augmentation des combinaisons possibles devant être examinées par le pirate.
Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente invention prévoit un procédé d'alimentation d'un élément de calcul asynchrone d'un circuit intégré, consistant à faire varier aléatoirement l'énergie instantanée d'alimentation de l'élément de calcul.
Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, on répartit aléatoirement, dans une fenêtre te po- relie prédéterminée, l'énergie instantanée fournie à l'élément de calcul, l'énergie totale dans la fenêtre étant prédéterminée.
Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, l'énergie totale fournie à l'élément de calcul dans la fenêtre temporelle est déterminée en fonction de la consom- mation maximale possible de l'élément de calcul.
La présente invention prévoit également un circuit d'alimentation d'au moins un élément de traitement asynchrone d'un circuit intégré, comportant un élément d'alimentation variable commandé de façon aléatoire ou pseudo-aléatoire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit élément d'alimentation variable fait varier la tension d'alimentation de l'élément de traitement asynchrone.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément d'alimentation variable est commandé par un générateur pseudo-aléatoire.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d' autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de mise en oeuvre et de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un circuit d'alimentation d'un élément de calcul asynchrone selon la présente invention ; et la figure 2 illustre, par un chronogramme, un mode de mise en oeuvre du procédé d'alimentation selon l'invention.
Pour des raisons de clarté, seuls les étapes de procédé et éléments de circuit qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, l'algorithme mis en oeuvre par l'élément de calcul à protéger n'a pas été détaillé et ne fait pas l'objet de l'invention, celle-ci s 'appliquant quel que soit le processus asynchrone mis en oeuvre. De plus, l'élément de calcul asynchrone est bien sûr le plus souvent associé à d'autres éléments de circuit avec lequel il est intégré. On ne fera référence ci-après qu'à l'élément de calcul asynchrone et à son alimentation, l'invention n'agissant pas sur le reste du circuit qui dépend de l'application.
Une caractéristique de la présente invention est de faire varier aléatoirement l'énergie fournie à l'élément de traitement asynchrone des données à protéger.
La présente invention tire profit du fait que, dans un élément de traitement asynchrone, un défaut d'énergie par rapport à l'énergie nécessaire à la manipulation d'une donnée ne se traduit pas par une erreur de fonctionnement mais simplement par un retard dans le traitement des données. En effet, un élément de traitement asynchrone attend en quelque sorte d'avoir l'énergie nécessaire au traitement pour poursuivre son calcul.
Dans les circuits classiques, la source d'énergie est suffisante pour fournir à l'élément de traitement toute l'énergie qu'il requiert à chaque instant. Selon l'invention, on impose l'énergie fournie à l'élément de traitement.
Par exemple, on utilise un générateur pseudo-aléatoire tenant compte de la durée souhaitée pour le calcul afin de répartir la quantité d'énergie nécessaire à ce calcul dans une fenêtre temporelle.
En effet, la seule contre-partie de la mise en oeuvre de l'invention est un allongement de la durée d'exécution. Cette durée d'exécution peut cependant être maintenue dans une fenêtre prédéterminée grâce à une génération pseudo-aléatoire.
Si l'application le permet, notamment si elle n'impose pas de contraintes temporelles, on peut utiliser un générateur aléatoire qui présente l'avantage de dissocier non seulement 1 ' alimentation mais également la durée par rapport aux données traitées. La durée de traitement est ainsi rendue aléatoire. La figure 1 représente, de façon partielle très schématique et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un circuit d'alimentation d'un élément 1 d'exécution asynchrone d'un algorithme de traitement de données (ASYNC-ALGO) . De façon classique, l'élément de calcul asynchrone peut être schématisé comme un circuit recevant des données d'entrée E, fournissant des données de sortie S et échangeant des signaux de commande (CTRL) avec le reste du circuit intégré (par exemple, avec un microprocesseur non représenté) . Parmi les signaux de commande figure notamment le signal par lequel l'élément 1 indique au reste du circuit intégré que les données de sortie S sont disponibles .
Selon l'invention, le circuit 1 est alimenté au moyen d'un circuit 2 (VAR) . Le circuit 2 fournit une énergie variable au circuit 1 et est alimenté par une tension Valim, par exemple, la tension d'alimentation du circuit intégré. Au sens de l'invention, la variation d'énergie peut être effectuée en tension ou en courant, en respectant si besoin les contraintes d'alimentation minimales (par exemple, en niveau de tension) afin de ne pas perdre les données en cours de traitement par le circuit asynchrone 1.
Selon le mode de réalisation représenté en figure 1, le circuit 2 de variation de l'alimentation est commandé par un générateur 3 pseudo-aléatoire (PRG) afin de distribuer l'énergie de façon aléatoire tout en respectant une fenêtre temporelle T prédéterminée correspondant à la durée souhaitée pour l'exécution du calcul. Le générateur 3 reçoit la consigne T, par exemple, de l'unité centrale du circuit intégré fixant la fenêtre temporelle . Dans le cas où un même circuit intégré contient plusieurs éléments de traitement asynchrone distincts, ceux-ci peuvent être alimentés séparément les uns des autres ou de façon commune au moyen d'un même générateur variable 2.
La figure 2 illustre le fonctionnement du circuit de la figure 1 par un organigramme représentant l'énergie (PW) fournie au circuit 1 dans une fenêtre temporelle T d'exécution du calcul.
En figure 2, on a représenté par un pointillé p, ce que pourrait être l'énergie absorbée par le circuit 1 dans un cas classique, si celui-ci était directement alimenté par la tension Valim sans recours au générateur variable 2 propre à l'invention. Dans ce cas, l'élément 1 prélève autant d'énergie qu'il en a besoin instantanément. C'est ce qui permet à un pirate éventuel d'analyser les pics de consommation et de relier ces pics aux données (bits 0 ou 1) traitées. Selon l'invention, la même quantité d'énergie nécessaire à l'exécution de l'ensemble du calcul est répartie temporellement dans la fenêtre T de façon aléatoire.
Comme cela a été indiqué ci-dessus, la seule conséquence est un allongement de la durée du calcul par rapport au cas classique. Toutefois, cet allongement peut être si besoin limité à une fenêtre temporelle prédéterminée du générateur pseudo-aléatoire .
Un avantage de la présente invention est qu'elle permet de masquer les données manipulées par un élément asynchrone de façon particulièrement efficace et, notamment , sans que cela se traduise par une augmentation des combinaisons à examiner par le pirate éventuel. En effet, aucun traitement (calcul) supplémentaire des données n'est prévu par l'invention. Par conséquent, l'efficacité du système n'est pas liée à l'accroissement de l'encombrement des circuits de traitement.
Un autre avantage de l'invention est qu'elle ne nécessite aucune modification de l'élément de traitement asynchrone proprement dit. On se contente d'intervenir sur son alimen- tation. Cet avantage conduit notamment à ce que l'invention puisse être mise en oeuvre dans n'importe quel processus de traitement asynchrone existant sans engendrer de modifications de la partie calcul du circuit intégré existant.
Un autre avantage de la présente invention est qu'elle n'engendre pas de consommation énergétique supplémentaire pour l'exécution du calcul lui-même, contrairement aux solutions requérant des circuits de traitement additionnels.
La mise en oeuvre pratique de l'invention à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus est à la portée de l'homme du métier. En particulier, la réalisation d'un générateur variable alimentant un élément de calcul asynchrone ne nécessite que des composants classiques et est à la portée de l'homme du métier.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la détermination du niveau d'énergie minimal éventuel qu'il faut fournir à un élément de traitement asynchrone pour préserver les données qu'il est en train de traiter dépend de l'application et l'homme du métier sera à même de fixer les seuils adaptés. Par exemple, on pourra fixer un seuil minimal de tension d'alimentation et faire varier aléatoirement la tension d'alimentation du circuit de traitement dans une plage prédéterminée. Enfin, la réalisation d'un générateur d'une consigne aléatoire ou pseudo-aléatoire fait appel à des moyens classiques qui sont à la portée du l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'alimentation d'un élément de calcul asynchrone (1) d'un circuit intégré, caractérisé en ce qu'il consiste à répartir aléatoirement, dans une fenêtre temporelle prédéterminée (P) , l'énergie instantanée d'alimentation de l'élément de calcul, l'énergie totale dans la fenêtre étant prédéterminée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie totale fournie à l'élément de calcul dans la fenêtre temporelle est déterminée en fonction de la consommation maximale possible de l'élément de calcul.
3. Circuit d'alimentation d'au moins un élément de traitement asynchrone (1) d'un circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comporte un élément d'alimentation variable (2) de l'élément de traitement asynchrone, ledit élément d'alimentation répar- tissant de façon aléatoire et dans une fenêtre temporelle prédé- terminée, l'énergie instantanée fournie à l'élément de calcul, l'énergie totale dans la fenêtre étant prédéterminée.
4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'alimentation variable (2) est commandé par un générateur pseudo-aléatoire (3) .
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