Design and implementation of a microprocessor working with encrypted instructions and data

Un nombre important et en constante augmentation de systèmes numériques nous entoure. Tablettes, smartphones et objets connectés ne sont que quelques exemples apparents de ces technologies omniprésentes, dont la majeure partie est enfouie, invisible à l'utilisateur. Les microprocesseurs, au cœur de ces systèmes, sont soumis à de fortes contraintes en ressources, sûreté de fonctionnement et se doivent, plus que jamais, de proposer une sécurité renforcée. La tâche est d'autant plus complexe qu'un tel système, par sa proximité avec l'utilisateur, offre une large surface d'attaque.Cette thèse, se concentre sur une propriété essentielle attendue pour un tel système, la confidentialité, le maintien du secret du programme et des données qu'il manipule. En effet, l'analyse du programme, des instructions qui le compose, est une étape essentielle dans la conception d'une attaque. D'autre part, un programme est amené à manipuler des données sensibles (clés cryptographiques, mots de passes, ...), qui doivent rester secrètes pour ne pas compromettre la sécurité du système.Cette thèse, se concentre sur une propriété essentielle attendue pour un tel système, la confidentialité, le maintien du secret du programme et des données qu'il manipule. Une première contribution de ces travaux est une méthode de chiffrement d'un code, basée sur le graphe de flot de contrôle, rendant possible l'utilisation d'algorithmes de chiffrement par flots, légers et efficaces. Protéger les accès mémoires aux données d'un programme s'avère plus complexe. Dans cette optique, nous proposons l'utilisation d'un chiffrement homomorphe pour chiffrer les données stockées en mémoire et les maintenir sous forme chiffrée lors de l'exécution des instructions. Enfin, nous présenterons l'intégration de ces propositions dans une architecture de processeur et les résultats d'évaluation sur logique programmable (FPGA) avec plusieurs programmes d'exemples.Embedded processors are today ubiquitous, dozen of them compose and orchestrate every technology surrounding us, from tablets to smartphones and a large amount of invisible ones. At the core of these systems, processors gather data, process them and interact with the outside world. As such, they are excepted to meet very strict safety and security requirements. From a security perspective, the task is even more difficult considering the user has a physical access to the device, allowing a wide range of specifically tailored attacks.Confidentiality, in terms of both software code and data is one of the fundamental properties expected for such systems. The first contribution of this work is a software encryption method based on the control flow graph of the program. This enables the use of stream ciphers to provide lightweight and efficient encryption, suitable for constrained processors. The second contribution is a data encryption mechanism based on homomorphic encryption. With this scheme, sensible data remain encrypted not only in memory, but also during computations. Then, the integration and evaluation of these solutions on Field Programmable Gate Array (FPGA) with some example programs will be discussed