Thesis defence of Aghiles Douadi (AMfoRS team): Design, Characterization and Security Evaluation of Physically Unclonable Functions

Aghiles DOUADI - AMfoRS team

Thesis direction
Giorgio DI NATALE - Thesis director - Research director - TIMA Lab - CNRS
Vincent BEROULLE - Co-thesis director - Full professor - LCIS
Ioana VATAJELU - Co-thesis supervisor - HDR Research project manager - TIMA Lab. - CNRS

Rapporteurs
Lirida NAVINER - Rapporteur - Full professor - Télécom Paris
François MARC - Rapporteur - Associate professor - Université de Bordeaux

Composition of the jury
Giorgio DI NATALE - Thesis director - Research director - TIMA Lab - CNRS
Vincent BEROULLE - Co-thesis director - Full professor - LCIS
Lirida NAVINER - Rapporteur - Full professor - Télécom Paris
François MARC - Rapporteur - Associate professor - Université de Bordeaux
Ian O'CONNOR - Examinator - Full professor - École Centrale de Lyon
Brice COLOMBIER - Examinator - Associate professor - Université Jean Monnet
Skandar BASROUR - Examinator - Full professor - TIMA Lab - UGA
Ioana VATAJELU - Guest - HDR Research project manager - TIMA Lab. - CNRS
Paolo MAISTRI - Guest - HDR Research project manager - TIMA Lab. - CNRS

Title: Design, Characterization and Security Evaluation of Physically Unclonable Functions
Keywords: Hardware Security, Physical Unclonable Functions, Fault Attacks, Laser Fault Injection, Ring Oscillators, Power-off Attacks
Abstract: At a time when embedded system security is becoming a strategic concern, all hardware security primitives can become targets of physical attacks. Among these, fault injection attacks aim to disrupt the circuit’s operation in order to extract sensitive data or gain unauthorized access. Laser fault injection is one of the most powerful techniques in this field: for example, using an infrared laser, it is possible to change the state of a flip-flop or corrupt instructions during their read from Flash memory. Beyond these logical effects, lasers also induce significant thermal effects that can permanently affect the circuit’s behavior. In this context, this thesis focuses on thermal attacks, whether localized (by laser beam) or global (by heating the entire circuit). The main objective of the thesis is to model and experimentally characterize the impact of temperature on hardware security primitives, particularly ring oscillator PUFs (RO-PUFs), in order to assess their vulnerability level against such disturbances. This thesis also includes the development of countermeasures to enhance the robustness of circuits against thermal attacks. Finally, the feasibility of attacks on fully powered-off targets will be studied, aiming to evaluate the current limits of threat models.

Titre : Conception, caractérisation et évaluation de la sécurité des fonctions physiques non clonables
Mots-clés : Sécurité matérielle,Fonctions physiques non clonables,Attaques par fautes,Injection de fautes par laser,Oscillateur en anneau,Attaque hors tension
Résumé : À l’heure où la sécurité des systèmes embarqués devient un enjeu stratégique, toutes les primitives de sécurité matérielles peuvent devenir la cible d’attaques physiques. Parmi celles-ci, les attaques par injection de fautes visent à perturber le fonctionnement du circuit afin d’extraire des données sensibles ou d’obtenir un accès non autorisé. L’injection de fautes par laser est l’une des techniques les plus puissantes dans ce domaine : elle permet, par exemple, à l’aide d’un laser infrarouge, de modifier l’état d’une bascule ou de corrompre des instructions lors de leur lecture en mémoire Flash. Au-delà de ces effets logiques, les lasers induisent également des effets thermiques importants, pouvant affecter durablement le comportement du circuit. Dans ce contexte, cette thèse s’intéresse aux attaques thermiques, qu’elles soient localisées (par faisceau laser) ou globales (par chauffage de l’ensemble du circuit). L’objectif principal de la thèse est de modéliser et caractériser expérimentalement l’impact de la température sur des primitives de sécurité matérielle, en particulier les PUFs à oscillateurs en anneau (RO-PUFs), afin d’évaluer leur niveau de vulnérabilité face à de telles perturbations. Cette thèse inclut aussi le développement de contremesures pour renforcer la robustesse des circuits face aux attaques thermiques. Enfin, la faisabilité d’attaques sur des cibles totalement hors tension sera étudiée, dans le but d’évaluer les limites actuelles des modèles de menace.