Hardware Trojan horse detection with side channel analysis based on power consumption

Abstract

Teknolojinin hızlı gelişimi, gelişmiş ülkelerin çoğu için bile yerli üretimi sürdürmenin imkânsız olduğu artan tümleşik devre fabrikasyon maliyetlerini beraberinde getirir. Buna paralel olarak, maliyetlerin minimum olduğu ve daha düşük ücretlerle kalifiye iş gücünün mevcut olduğu Çin ve Tayvan gibi uzak doğu ülkeleri tarafından tümleşik devrelerin imalatı daha çok ele alınmaktadır. Bu nedenle, kötü amaçlı devrelerin tümleşik devrelerin içine kasıtlı olarak eklenmesiyle ilgili endişeler, donanım Truva Atı algılama sorununa olan ilgiyi gittikçe arttırmaktadır. Donanım Truva atlarının tespiti için önerilen birden fazla yöntem mevcuttur. Yan kanal analizine dayalı algılama yöntemi, bunlardan en popüler olanlardan birisidir. Fakat bu yöntemin bazı büyük kusurları mevcuttur. Bunlardan en önemlisi, özellikle donanımsal Truva atının küçük olması durumunda, etkisinin kolayca gizlenebildiği üretim süreci varyasyonlarıdır. Bu tezde, öncelikle devreye, doğru ve gerçekçi bir varyasyon modeli uyguluyoruz ve ardından dinamik akım tabanlı yan kanal analizi yöntemini kullanarak küçük donanımsal Truva atlarını tespit etmenin zorluğunu ölçüyoruz. En hassas transistor seviyesine sahip Spice simülasyonlarını, doğru sonuçları elde etmek için kullanılmaktadır. Sonuçlar, Truva atı algılamanın belirli bir girişe, farklı güç kaynaklarının sayısına ve devrenin boyutuna duyarlılığını göstermektedir. Bu tezde, arzu edilen güç kaynağı sayısı ne olursa olsun, orijinal devreye yalnızca iki ek pim ekleyerek güç kaynaklarının ayrılmasını fiilen gerçekleştiren küçük bir devre öneriyoruz. Bu nedenle, donanım Truva atının etkisi, süreç varyasyonlarının etkisi altında bile ortaya çıkana kadar farklı dinamik akım ölçümlerinin sayısı artırılabilmektedir.The rapid development of technology comes with increasing integrated circuit fab costs impossible to carry on domestic manufacturing even for most of the developed countries. In parallel to this, the manufacturing of integrated circuits handled mostly by far-east countries like China and Taiwan, where the costs are minimal and skilled labor with lower wages exists. Hence, the concern about the intentional insertion of malicious circuits inside the integrated circuits draws an increasing interest towards hardware Trojan detection issue. There is multiple method suggested for the detection of hardware Trojan horses. Side channel analysis based detection is one of the most popular ones. But it has some major flaws. The most important of these is the manufacturing process variations that can easily hide the effect of the hardware Trojan, especially when it is small. In this thesis, we first apply an accurate and realistic variation model to the circuit and then measure the difficulty of detecting small hardware Trojans, using dynamic current based side channel analysis. The most precise transistor level Spice simulations are utilized for accurate results. The results demonstrate the sensitivity of Trojan detection to the particular input, to the number of distinct power supplies and to the size of the circuit. In this thesis, we also propose a small circuit to actually realize the separation of power supplies by only adding two additional pins to the original circuit whatever the number of desired power supplies is. Thus, the number of distinct dynamic current measurements can be increased until the effect of the hardware Trojan reveals even under the effect of process variations.