Les méthodes de traitement des puces pourraient aider les systèmes cryptographiques à assurer la sécurité des données.
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En permettant à deux puces de s'authentifier mutuellement à l'aide d'une empreinte digitale partagée, cette technique peut améliorer la confidentialité et l'efficacité énergétique. Tout comme chaque personne possède des empreintes digitales uniques, chaque puce CMOS présente une « empreinte digitale » distinctive, due à d'infimes variations aléatoires lors de sa fabrication. Les ingénieurs peuvent exploiter cette identité infalsifiable pour l'authentification, afin de protéger un appareil contre les tentatives de vol de données privées.
Cependant, ces systèmes cryptographiques nécessitent généralement le stockage d'informations secrètes concernant l'empreinte numérique d'une puce sur un serveur tiers. Cela crée des failles de sécurité et requiert des ressources de mémoire et de calcul supplémentaires.
Pour surmonter cette limitation, les ingénieurs du MIT ont mis au point une méthode de fabrication permettant une authentification sécurisée par empreinte digitale, sans qu'il soit nécessaire de stocker des informations secrètes en dehors de la puce.
Lors de la fabrication d'une puce spécialement conçue, chaque moitié est divisée de manière à ce que chacune possède une empreinte digitale identique et unique. Chaque puce permet d'authentifier directement l'autre. Cette méthode de fabrication d'empreintes digitales à faible coût est compatible avec les procédés de fonderie CMOS standard et ne nécessite aucun matériau particulier.
Cette technique pourrait s'avérer utile dans les systèmes électroniques à faible consommation d'énergie comportant des paires de dispositifs non interchangeables, comme une pilule-capteur ingérable et son patch portable associé, utilisés pour surveiller la santé gastro-intestinale. Grâce à une empreinte digitale partagée, la pilule et le patch peuvent s'authentifier mutuellement sans dispositif intermédiaire.
« Le principal avantage de cette méthode de sécurité est qu'elle ne nécessite aucun stockage d'informations. Tous les secrets restent en sécurité à l'intérieur du silicium. Cela permet un niveau de sécurité supérieur. Avec cette clé numérique, il est toujours possible d'ouvrir la porte », explique Eunseok Lee, doctorant en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal d'un article sur cette méthode de sécurité.
Lee a collaboré à cet article avec Jaehong Jung et Maitreyi Ashok, doctorants en génie électrique et informatique ; ainsi qu’avec Anantha Chandrakasan, provost du MIT et professeur titulaire de la chaire Vannevar Bush en génie électrique et informatique, et Ruonan Han, professeur au même département et membre du Laboratoire de recherche en électronique du MIT. Ces travaux ont été présentés récemment à la conférence internationale IEEE sur les circuits intégrés à semi-conducteurs.
« La création de clés de chiffrement partagées dans des fonderies de semi-conducteurs de confiance pourrait permettre de concilier sécurité accrue et facilité d'utilisation pour la protection des transmissions de données », explique Han. « Ce travail, basé sur le numérique, n'en est qu'à ses débuts ; nous étudions comment reproduire un chiffrement analogique plus complexe, et ce, une seule fois. »
Tirer parti des variations
Bien que conçues pour être identiques, chaque puce CMOS présente de légères différences dues à des variations microscopiques inévitables lors de sa fabrication. Ces variations aléatoires confèrent à chaque puce un identifiant unique, appelé fonction physique non clonable (PUF: physical unclonable function), quasiment impossible à reproduire.
Le PUF d'une puce peut être utilisé pour assurer la sécurité, tout comme le système d'identification par empreinte digitale d'un ordinateur portable ou d'un panneau de porte.
Pour l'authentification, un serveur envoie une requête à l'appareil, qui répond par une clé secrète basée sur sa structure physique unique. Si la clé correspond à une valeur attendue, le serveur authentifie l'appareil.
Mais les données d'authentification PUF doivent être enregistrées et stockées sur un serveur pour un accès ultérieur, ce qui crée une faille de sécurité potentielle.
« Si nous n’avons pas besoin de stocker d’informations sur ces randomisations uniques, alors le PUF devient encore plus sécurisé », explique Lee.
Les chercheurs souhaitaient y parvenir en développant une paire de PUF appariées sur deux puces. L'une pourrait authentifier l'autre directement, sans qu'il soit nécessaire de stocker les données PUF sur des serveurs tiers.
Prenons l'exemple d'une feuille de papier déchirée en deux. Les bords déchirés sont aléatoires et uniques, mais les morceaux partagent une même aléatoire car ils s'emboîtent parfaitement le long du bord déchiré.
Bien que les puces CMOS ne soient pas déchirées en deux comme une feuille de papier, beaucoup sont fabriquées simultanément sur une plaquette de silicium qui est découpée pour séparer les puces individuelles.
En incorporant une part d'aléatoire partagée au bord de deux puces avant qu'elles ne soient découpées pour être séparées, les chercheurs pourraient créer un PUF jumeau unique à ces deux puces.
« Il nous fallait trouver un moyen de procéder avant que la puce ne quitte la fonderie, pour plus de sécurité. Une fois la puce fabriquée entrée dans la chaîne d'approvisionnement, nous ne saurons pas ce qui pourrait lui arriver », explique Lee.
Partager l'aléatoire
Pour créer le PUF double, les chercheurs modifient les propriétés d'un ensemble de transistors fabriqués le long du bord de deux puces, en utilisant un processus appelé claquage de l'oxyde de grille.
En résumé, ils appliquent une haute tension à deux transistors en les éclairant avec une LED bon marché jusqu'à ce que le premier transistor se détériore. En raison de légères variations de fabrication, chaque transistor a un temps de défaillance légèrement différent. Les chercheurs peuvent utiliser cet état de défaillance unique comme base pour un PUF (réseau de nanofibres polymères).
Pour réaliser un PUF double, les chercheurs du MIT fabriquent deux paires de transistors sur le bord de deux puces avant de les découper pour les séparer. En reliant les transistors par des couches métalliques, ils créent des structures appariées présentant des états de claquage corrélés. De cette manière, ils permettent à chaque paire de transistors de partager un PUF unique.
Après avoir utilisé la lumière LED pour créer le PUF, ils découpent les puces entre les transistors de sorte qu'il y ait une paire sur chaque appareil, donnant à chaque puce séparée un PUF partagé.
« Dans notre cas, la défaillance des transistors n'a pas été bien modélisée dans la plupart des simulations que nous avons effectuées, ce qui a engendré une grande incertitude quant au déroulement du processus. La nouveauté de ce travail réside dans la détermination de toutes les étapes et de leur ordre d'exécution nécessaires à la génération de cette aléatorité partagée », explique Lee.
Après avoir optimisé leur processus de génération de PUF, les chercheurs ont développé un prototype de deux puces PUF jumelles dont la randomisation était appariée avec une fiabilité supérieure à 98 %. Ceci garantit la concordance des clés PUF générées, permettant ainsi une authentification sécurisée.
Comme ils ont généré ce double PUF à l'aide de techniques de circuits et de LED à bas coût, le procédé serait plus facile à mettre en œuvre à grande échelle que d'autres méthodes plus compliquées ou non compatibles avec la fabrication CMOS standard.
« Dans la conception actuelle, l'aléatoire partagé généré par la défaillance des transistors est immédiatement converti en données numériques. Les versions futures pourraient préserver cet aléatoire partagé directement au sein des transistors, renforçant ainsi la sécurité au niveau physique le plus fondamental de la puce », explique Lee.
« La demande en matière de sécurité de la couche physique pour les dispositifs périphériques, notamment entre les capteurs médicaux et les dispositifs implantés dans le corps, qui fonctionnent souvent avec des contraintes énergétiques strictes, croît rapidement. Une approche PUF à paires jumelées permet une communication sécurisée entre les nœuds sans alourdir le protocole, offrant ainsi à la fois efficacité énergétique et sécurité renforcée. Cette première démonstration ouvre la voie à des avancées novatrices dans la conception de matériel sécurisé », ajoute Chandrakasan.