Génération d'aléa dans les circuits électroniques numériques exploitant des cellules oscillantes

With the sharp increase in the deployment and integration of the Internet of Things, one challenge is to ensure security with respect to privacy and trust issues. With billions of connected devices, there is a huge risk of unauthorized use or abuse. To protect from such risks, security mechanisms are neede for per-device authentication and authorization, integrated in early design stages. Thankfully, cryptographic functions allow ciphering of sensitive data, as well as per-device authentication and authorization since they guarantee confidentialify, authenticity, integrity and non-repudiation. In this context, physical random generator (random number generator TRNG and physical unclonable functions PUF) are particularly useful since they generate secret keys, random masks or unique identifiers. The robustness of the cryptographic functions stand by the quality of the physical random generators. For that, numbers provided by those generators must be entropic. Otherwise, keys used to cipher data could be broken and identifiers could be retrieved. That's why, it is necessary to study physical random generators. In this thesis, we provide a rigorous approach to implement TRNGs and PUFs in reconfigurable logic devices. After that, we integrate those generators in a complete system. We also propose an innovative approach to evaluate the quality of PUF by modeling their behavior prior to designing it. This should he!p designers anticipate PUF quality in term of randomness. We also realize a complete a study of two kind of threats on physical random generators using oscillating cells: the locking phenomena and the EM analysis.Les objets connectés sont omniprésents dans notre société actuelle (ex. véhicules, transports en commun, santé, domotique, smartphone, moyen de paiement, etc.). La connexion et l'accès à distance des appareils d'usage quotidien améliorent considérablement notre confort et notre efficacité dans notre vie professionnelle comme personnelle. Cependant, cela peut également nous confronter à des problèmes de sécurité sans précédent. Les risques liés à la large expansion des systèmes embarqués et de l'internet des objets sont doubles :- L'accès d'une personne non autorisée aux données pour la lecture, la copie, l'écriture ou l'effacement complet. - L'utilisation de l'objet connecté pour une action non prévue par celui-ci, sa mise hors service du système ou bien sa destruction.Pour répondre à de tels risques, il est nécessaire de mettre en place des mécanismes de sécurité permettant le chiffrement des données sensibles, ainsi qu'une authentification et une autorisation pour chaque appareil de l'internet des objets. Fort heureusement, les fonctions cryptographiques permettent de répondre à ces besoins en garantissant confidentialité, authenticité, intégrité et non-répudiation. Dans ce contexte, les générateurs physiques d'aléa (Générateurs de nombres aléatoires et fonctions physiques non clonables) sont essentiels puisqu'ils assurent le bon fonctionnement des fonctions cryptographiques. En effet, ils exploitent des sources de bruit analogique présentes dans les circuits électroniques pour générer: des clés secrètes permettant de chiffrer les données, ou encore, des identifiants uniques permettant l'authentification des circuits. La sécurité des fonctions cryptographiques repose sur la qualité des clés et identifiant générés par ces générateurs d'aléa. Les nombres produits par ces générateurs doivent être imprévisibles. A défaut, les clés utilisées pour chiffrer les données pourraient être cassées et les identifiants recopiés. C'est pourquoi il est d'une extrême nécessité d'étudier les générateurs physiques d'aléa. Dans ce manuscrit, nous proposons tout d'abord une approche rigoureuse d'implémentation et de comparaison de TRNG et de PUF sur les circuits électroniques numériques, suivis d'une intégration au sein d'un système complet de ces générateurs physiques d'aléa. Ensuite, nous amorçons une démarche de modélisation des PUF afin d'améliorer l'évaluation de leur imprévisibilité. Nous réalisons aussi une étude complète de l'impact du phénomène de verrouillage sur les cellules oscillantes et le. conséquences sur les générateurs physiques d'aléa. Enfin, nous démontrons la sensibilité d'un type particulier de PUF à une attaque par analyse électromagnétique