Thesis defence of Azzadine Thajte (CDSI team): Robust physical unclonable function based on asynchronous time measurement

Azzadine THAJTE - CDSI team

Thesis direction
Laurent FESQUET - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP / TIMA Laboratory
Giorgio DI NATALE - Thesis co-director - Research director - CNRS / TIMA Laboratory

Rapporteurs
Lionel TORRES - Rapporteur - Full professor - Université de Montpellier
Jean-Baptiste RIGAUD - Rapporteur - Full professor - Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

Composition of the jury
Laurent FESQUET - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP / TIMA Laboratory
Giorgio DI NATALE - Thesis co-director - Research director - CNRS / TIMA Laboratory
Lionel TORRES - Rapporteur - Full professor - Université de Montpellier
Jean-Baptiste RIGAUD - Rapporteur - Full professor - Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint Etienne
Vincent BEROULLE - Examinator - Full professor - Grenoble INP / UGA
Brice COLOMBIER - Examinator - Associate professor - Université Jean Monnet

Title: Robust physical unclonable function based on asynchronous time measurement
Keywords: Physical Unclonable Function (PUF), TIMA-PUF, hardware security, asynchronous circuits, pulsed EM fault injection, time measurement
Abstract: Physical Unclonable Functions (PUFs) have emerged as a promising hardware-based security primitive for secure key generation and device authentication. Unlike conventional approaches that rely on storing secrets in non-volatile memory, PUFs generate secrets on demand by exploiting inherent process variations introduced during integrated circuit manufacturing. This thesis proposes a new variant of an arbiter PUF, the Time Measurement based Arbiter-PUF (TIMA-PUF). Unlike the classical arbiter PUF that only compares the delay of two symmetrical paths, we propose to measure the path propagation delays and returns the time difference. Such measurements enable the TIMA-PUF to be used in conjunction with techniques such as filtering of unreliable or low-entropy challenges and, thus, improve the global PUF performances. This ability is obtained thanks to an asynchronous Time-To-Digital Converter, which allows the measurements of the path delays. The proposed PUF benefits from the strengths of a classical arbiter PUF, such as the ability to extract a large number of challenge-response pairs at high throughput while improving reliability and entropy. The second part of this thesis focuses on the resilience analysis of the TIMA-PUF against two affordable and non-invasive physical threats: pulsed ElectroMagnetic Fault Injection (EMFI) attacks and temperature variations. The obtained results show that the effect of temperature remains limited, due to a compensation measurement scheme that reduces the impact of temperature-dependent delays. Regarding EMFI, extensive experimental results reveal that a single precisely tuned electromagnetic pulse can consistently alter the TIMA-PUF output, exposing a critical security weakness. To address these vulnerabilities, three countermeasures are proposed and detailed: a Token Monitor, a Glitch Monitor, and a Response Monitor. In addition, two specific metrics are introduced to quantitatively evaluate the spatial coverage and detection effectiveness of these protections. Experimental results show that the proposed countermeasures provide robust spatial detection and high effectiveness while maintaining a low hardware footprint.

Titre : Fonction physique non-clonable robuste, basée sur une mesure asynchrone du temps
Sobres
Mots-clés : fonction physique non-clonable (PUF), TIMA-PUF, sécurité matérielle, circuits asynchrones, injection de fautes par impulsion EM, mesure du temps
Résumé : Les fonctions physiquement non clonables (PUFs) représentent une solution matérielle prometteuse pour générer des clés cryptographiques et authentifier des dispositifs. Contrairement aux méthodes classiques qui stockent les secrets dans une mémoire non volatile, les PUF génèrent ces secrets à la demande. Cette thèse propose une nouvelle variante de PUF à arbitre, appelée Time Measurement based Arbiter-PUF (TIMA-PUF). Contrairement à une PUF à arbitre classique, qui compare uniquement le délai de propagation entre deux chemins symétriques, la TIMA-PUF mesure les délais de propagation de ces chemins et retourne leur différence temporelle. Ces mesures permettent d’utiliser la TIMA-PUF avec des techniques comme le filtrage de défis peu fiables ou présentant une faible entropie. Cela permet d’améliorer les performances globales de la PUF. Cette capacité est rendue possible grâce à un convertisseur temps-numérique asynchrone qui permet de mesurer les délais des chemins. La PUF proposée conserve les avantages d’une PUF à arbitre classique, notamment la possibilité de générer un grand nombre de couples défi-réponse avec un débit élevé, tout en améliorant la fiabilité et l’entropie. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l’analyse de la résilience de la TIMA-PUF face à deux menaces physiques peu coûteuses et non invasives : les attaques par injection de fautes électromagnétiques pulsées (EMFI), et les variations de température. Les résultats obtenus montrent que l’effet de la température reste limité. Cela s’explique par l’utilisation d’un schéma de mesure qui réduit l’impact des délais dépendants de la température. Concernant les attaques EMFI, les résultats expérimentaux montrent qu’une seule impulsion électromagnétique correctement réglée peut modifier de manière répétable la sortie de la TIMA-PUF. Cela met en évidence une faiblesse critique en matière de sécurité. Pour répondre à ces vulnérabilités, trois contre-mesures sont proposées et détaillées : un Token Monitor, un Glitch Monitor et un Response Monitor. Deux métriques spécifiques sont également introduites afin d’évaluer de manière quantitative la couverture spatiale et l’efficacité de détection de ces protections. Les résultats expérimentaux montrent que les contre-mesures proposées assurent une détection spatiale robuste et une efficacité élevée, tout en conservant une faible empreinte matérielle.