Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado

Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla. Trabajo Fin de Grado en Ingeniería Electrónica Industrial. Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Autor: Ricardo Soto Tutores: Carlos Jesús Jiménez Fernández José Miguel Mora Gutiérrez Departamento de Tecnología Electrónica Junio 2022 Universidad de Sevilla. Escuela Politécnica Superior de Sevilla. AGRADECIMIENTOS Mi más sincero agradecimiento a Carlos Jesús Jiménez Fernández y José Miguel Mora Gutiérrez, por su interés, orientación y ayuda prestada. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página I RESUMEN La inserción de fallos por láser pulsado es una técnica bastante precisa que permite simular los efectos de la radiación, conocer vulnerabilidades de circuitos u obtener información considerada como privada o secreta que se encuentra almacenada internamente en el circuito como pudiera ser las claves en circuitos de encriptación. Este tipo de proyecto es importante ya que están aumentando el número de datos informáticos que se está trasfiriendo por el mundo y se necesita más seguridad en los sistemas de encriptación. El presente Trabajo de Final de Grado tiene como objetivo estudiar la inserción de fallos en flip-flops de un circuito integrado con un equipo láser. Para poder obtener un dato se realiza una serie de disparos con el láser y se compara la repuesta del circuito con la interacción del láser y sin el láser. Con esto se puede sacar ciertas conclusiones y llegar a sacar datos y claves e incluso posiciones de los componentes de un circuito criptográfico. Para dicho estudio se va a necesitar una interfaz que facilite al usuario el diseño del ensayo, la visualización de los datos y el control de los equipos de laboratorio. La interfaz se ha desarrollado con el lenguaje de programación Python y los ensayos se han realizado en los laboratorios del Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE, del Centro Nacional de Microelectrónica, CNM-CSIC, Universidad de Sevilla). Al final del trabajo se realizan ensayos sobre flip-flops de un circuito integrado que contiene varios cifradores de flujo Trivium, se analiza los resultados y se diseña unas pautas para poder obtener información del circuito. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página II ABSTRACT The laser fault injection attack is a quite precise technique that allows us to simulate the effects of radiation, to know vulnerabilities of circuits or to obtain information considered as private or secret that is stored internally in the circuit such as the keys in a cryptographic circuit. This type of project is important because the amount of computer data being transferred around the world is increasing and more security is needed in cryptographic systems. The objective of this work is to study the laser fault Injection attack in some flip-flops of an integrated circuit with a laser equipment. We need to do some tests with the laser in the circuit and compare the result with laser and without laser to get some information. Also, we can draw some conclusions and get the keys and data or the localization of the component in a cryptographic circuit. For such a study, an interface will be needed to facilitate the user to design the test, visualize the data, and control the laboratory equipment. The interface was developed with Python language, and the tests were carried out in the laboratories of the Instituto de Microelectrónica of Sevilla (IMSE, del Centro Nacional de Microelectrónica, CNM-CSIC, Universidad de Sevilla). At the end of the work, tests are performed on flip-flops of an integrated circuit containing several Trivium stream ciphers, the results are analyzed and guidelines are designed to obtain information from the circuit. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 1 de 72 Índice 1. Introducción ............................................................................................. 6 1.1. Introducción de fallos con laser .......................................................... 7 1.2. Aplicaciones ....................................................................................... 8 1.3. Estudios sobre laser pulsado ............................................................. 9 1.4.1 Búsqueda de bibliografía y adaptación al proyecto .......................... 10 1.4.2 Bibliografía ................................................................................ 10 1.4.3 Adaptación de la programación ................................................. 11 2 Equipos de laboratorio ........................................................................... 13 2.1 Perspectiva general ......................................................................... 13 2.2 Módulo PulSys ................................................................................. 14 2.2.1 Microscopio ............................................................................... 15 2.2.2 Monitor ...................................................................................... 16 2.2.3 Eje Z .......................................................................................... 16 2.2.4 Plataforma motorizada de desplazamiento ZRANGE200.......... 17 2.3 Módulo PulsBox ............................................................................... 17 2.3.1 Control del laser ........................................................................ 18 2.3.2 Fuente del laser ......................................................................... 20 2.4 Analizador Lógico ............................................................................ 21 2.5 Osciloscopio Digital .......................................................................... 22 2.6 Fuente alimentación ......................................................................... 22 2.7 Preparación del láser pulsado .......................................................... 24 2.7.1 Activar la regleta trasera ............................................................ 24 2.7.2 Activar regleta delantera, encender los instrumentos ................ 25 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 2 de 72 3 Descripción del circuito integrado .......................................................... 28 3.1 Arquitectura del circuito de prueba .................................................. 29 3.2 Generación de patrones y adquisición de datos .............................. 30 4 Descripción de la interfaz del programa ................................................ 33 4.1 Introducción ..................................................................................... 33 4.1.1 Iniciación del programa ............................................................. 34 4.1.2 Colocar en la posición inicial el puntero laser ............................ 37 4.2 Desarrollo de las aplicaciones de programa. ................................... 38 4.2.1 Ventana de inicio y ventana de ejecución ................................. 38 4.2.2 Creación de ruta de puntos ....................................................... 41 4.2.3 Ajustes del laser ........................................................................ 43 4.3 Modo Prueba ................................................................................... 44 4.3.1. Funciones generales (Bombardeo_manual) .......................... 45 4.3.1.1 Base de datos ..................................................................... 45 4.3.1.2 Función manual ................................................................... 46 4.3.1.3 Automatización .................................................................... 50 4.3.2. Código de la interfaz gráfica (Bombardeo_personalizado) .... 51 5 Resultados experimentales ................................................................... 54 5.1 Ensayos preliminares ....................................................................... 55 5.2 Resultados ....................................................................................... 59 5.2.1 Análisis de las áreas de exposición ........................................... 59 5.2.2 Análisis a baja energía ................................................................. 61 5.3 Ensayo con flip-flop de solo lectura ................................................. 62 6. Conclusión ............................................................................................. 64 6 Bibliografía ............................................................................................. 65 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 3 de 72 Índice de Figuras Figura 1: Union P-N ....................................................................................... 8 Figura 2: Captura página principal US Figura 3: Captura Libros US ....... 11 Figura 4: Página Pulscan Figura 5: Página Digilent ................................. 11 Figura 6: Librería PyQt5 ............................................................................... 12 Figura 7: Visión general del sistema Láser .................................................. 14 Figura 8: Microscopio ................................................................................... 15 Figura 9: Monitor .......................................................................................... 16 Figura 10: Ejemplo del sistema de control del eje Z ..................................... 16 Figura 11: Marcador ajustable y controlador ................................................ 17 Figura 12: Ajuste de la cabeza en el eje Z ................................................... 17 Figura 13: Panel frontal PULSCAN .............................................................. 18 Figura 14: Fuente del laser .......................................................................... 21 Figura 15: Digital Discovery y Waveform ..................................................... 22 Figura 16 : Parte frontal de la fuente de alimentación .................................. 23 Figura 17: Regleta trasera ........................................................................... 25 Figura 18 : Parte de debajo de la mesa ....................................................... 25 Figura 19: Modulo PulsBox y PC ................................................................. 26 Figura 20: Pantalla de información PulsBox a) preparación b) modulo listo 27 Figura 21: Registro de desplazamiento y carga paralelo ............................. 30 Figura 22: Patrón creado en WaveForm ...................................................... 31 Figura 23: Cronograma de patrones de entrada .......................................... 32 Figura 24: Programas de escritorio .............................................................. 34 Figura 25: Consola de PulSys ...................................................................... 35 Figura 26: Interfaz grafica del módulo pico .................................................. 36 Figura 27: Nueva interfaz ............................................................................. 37 Figura 28: Texto dibujado en el circuito ....................................................... 37 Figura 29: Controlador eje Z y controlador eje X, Y ..................................... 38 Figura 30: Ventana inicio ruta ...................................................................... 39 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 4 de 72 Figura 31: Ventana ejecución....................................................................... 40 Figura 32: Ventana Datos ............................................................................ 41 Figura 33: Ventana crear rutas ..................................................................... 42 Figura 34: Ventana ajustes .......................................................................... 43 Figura 35: Código inicio ventana .................................................................. 51 Figura 36: Código de la barra del Eje x ........................................................ 52 Figura 37: Punto con cambio 0->1 Figura 38: Punto con cambio 1->0 ...... 52 Figura 39: Clase punto ................................................................................. 53 Figura 40: Códigos ejemplo Qt Design ........................................................ 53 Figura 41: Apertura orificio en el circuito ASIC y placa de prototipado ........ 54 Figura 42. R90 R27 MY90 MX90 .................................... 55 Figura 43: Recorrido flip-flop ........................................................................ 56 Figura 44: Ventana inicio ............................................................................. 58 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 5 de 72 Índice de Tablas Tabla 1: Características de las lentes .......................................................... 15 Tabla 2: Características PulsBox ................................................................. 18 Tabla 3: Diferentes combinaciones del M0, M1, M2 para los modos trigger 20 Tabla 4: Entradas y salidas del módulo PulsBox ......................................... 20 Tabla 5: variables base de datos ................................................................. 45 Tabla 6: Función manual .............................................................................. 46 Tabla 7: Tablas función manual ................................................................... 50 Tabla 8: Automatización ............................................................................... 50 Tabla 9: Análisis por zona ............................................................................ 60 Tabla 10: Análisis de los flip-flops a baja energía ........................................ 61 Tabla 11: Análisis de los flip-flops de lectura .............................................. 62 Tabla 12: Análisis flip-flop baja energía ....................................................... 63 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 12 de 72 es una traducion al lenguaje Python y los nombres de las funciones y sus usos son similares. Figura 6: Librería PyQt5 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 13 de 72 2 Equipos de laboratorio 2.1 Perspectiva general Los equipos del laboratorio utilizados permiten realizar el estudio de cómo afecta a un flip-flop el ataque con el haz del láser pulsado a diferentes energías y si es posible modificar su valor lógico almacenado de manera controlada con este sistema. En la Figura 7 se pueden observar los diferentes equipos utilizados en el laboratorio del sistema laser. Los principales son: • Un sistema de laser pulsado el cual se compone a su vez de dos módulos, PulsBox (es el encargado de generar el pulso láser) y el módulo PulSys (engloba todos los sistemas encargados del desplazamiento de la plataforma de medida). • Un osciloscopio digital que permite capturar las señales de un circuito integrado (Infiniium 9000 Series). • Un analizador lógico de bajo precio y portátil que permite generar y adquirir señales del circuito integrado de manera cómoda (Digital Discovery). • Una fuente de alimentación lo suficientemente modular para alimentar el circuito. • Un ordenador con sus drivers y programas correspondientes. A continuación, pasamos a describir detalladamente cada uno de los equipos del laboratorio. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 14 de 72 Figura 7: Visión general del sistema Láser 2.2 Módulo PulSys El módulo PulSys es el sistema que permite el desplazamiento del haz del láser sobre la superficie del circuito. Es uno de los componentes principales del láser y se compone de: - Microscopio. - Monitor. - Plataforma motorizada de desplazamiento. ZRANGE200. - Dial de rotación en el ángulo theta. - Diales de modificación de la inclinación. - Ejes de movimiento. - Otros equipos como fuente de alimentación o marcadores de desplazamiento. La mayoría de las características y usos sobre los equipos de este laboratorio se encuentra en el manual de usuario de laser pulsado [18]. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 15 de 72 2.2.1 Microscopio El microscopio está compuesto por: - Un soporte mecánico. - Cabezal óptico. - Plataforma del eje Z. - Plataforma del eje X e Y. El diseño de la cabeza óptica esta optimizado para la visualización de dispositivos de silicio. También esta optimizado para pulsos de alta energía y para eliminar ruido de longitud de onda de 1064 nm. La cabeza óptica tiene tres lentes de diferentes aumentos, cuyas características se muestran en la Tabla 1. Tabla 1: Características de las lentes También tiene una cámara nGaAs C10633-23 que visualiza la imagen del circuito en un monitor (Figura 8). Figura 8: Microscopio Aumento X5 X20 X100 Distancia focal (mm) 36.1 22.2 10 Apertura numérica 0.16 0.35 0.7 Profundidad de campo (µm) 10.7 2.2 0.7 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 16 de 72 2.2.2 Monitor El equipo del láser dispone de un monitor LCD (Figura 9) para la observación directa del dispositivo bajo test (en sus siglas DUT) a través de la cámara anteriormente mencionada. Además, también hay disponible unos marcadores ajustables en pantalla para la nivelación de la plataforma en los ejes X e Y, señalización del spot del láser en el DUT, etc. Figura 9: Monitor 2.2.3 Eje Z El movimiento del circuito en el eje Z (Figura 10 y Figura 11) está compuesto por 3 componentes. Uno encargado del eje, colocado debajo del circuito, un controlador que se conecta al ordenador y el mando para controlarlo de forma manual. Figura 10: Ejemplo del sistema de control del eje Z Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 17 de 72 Figura 11: Marcador ajustable y controlador 2.2.4 Plataforma motorizada de desplazamiento ZRANGE200 El microscopio tiene la opción de modificar su altura hasta 20 cm (Figura 12). Si un objeto no se pudiera colocar bajo la lente, habría que aflojar los tornillos de ajuste, visibles en la Figura 12 y subir todo el conjunto con la máxima precaución para no dañar ningún componente ni modificar su configuración. Figura 12: Ajuste de la cabeza en el eje Z 2.3 Módulo PulsBox El módulo PulsBox es el encargado de generar la energía del láser y en él se ajusta las configuraciones como la potencia, el modo del disparo o trigger, etc. El módulo PulsBox está compuesto por dos partes, la fuente del láser y el control del láser. Sus características más importantes se muestran en la Tabla 2. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 18 de 72 Tabla 2: Características PulsBox 2.3.1 Control del laser El panel frontal está compuesto por 4 secciones (Figura 13): ▪ 1) Botón On/Off (POWER). ▪ 2) Bloqueo del láser (Laser Enable). ▪ 3) LEDs de estado. ▪ 4) Entradas y salidas de señales por conector BNC. ▪ Boton On/Off Figura 13: Panel frontal PULSCAN El botón On/Off es el primer paso para encender el módulo PulsBox. Hay que esperar unos 10 minutos para desactivar el bloqueo del láser después de pulsar el botón. El tiempo se indica en una pantalla a la izquierda superior de la fuente del láser. Longitud de onda 1064 nm Duración del pulso 30 ps Energía máxima del pulso 50 nj Potencia máxima del pulso 1.67 KW Potencia máxima media 0.5 W Rango de frecuencia Hasta 20 MHz Resolución de la energía 0.0025 % Dimensiones Rack de 19’’ Polarización Lineal Salida de fibra óptica Modo único Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 19 de 72 ▪ Bloqueo del láser El bloqueo del láser permite activar y desactivar el láser de forma manual. Se tiene que girar después de los 10 minutos de encenderse y si la llave está bloqueada no se puede disparar el láser por software. Por tanto, sirve a modo de bloqueo de seguridad. ▪ Leds de estado La columna de leds permite ver tanto la configuración del láser como su estado o si hay errores. Los diferentes leds son: ▪ Config: Encendido cuando la configuración está cargada. ▪ Boot: Encendido después de la inicialización de los elementos de control del láser. ▪ L0: Encendido cuando la fuente del láser tiene alimentación. ▪ L1: Encendido durante el tiempo de calentamiento del láser. ▪ L2: Encendido cuando el láser está listo. ▪ L3: Encendido cuando el láser está activado. ▪ M0, M1, M2: Códigos del modo de trigger. Las distintas combinaciones de estos LEDs se recogen en la Tabla 3. ▪ Trig: Encendido cuando la señal en la entrada “Trig In” está a nivel alto. ▪ Gate: Encendido cuando la señal en la entrada “Gate In” está a nivel alto. ▪ E0, E1, E2: Códigos de error (reservado para mantenimiento). ▪ Interlock: Encendido cuando el bloqueo del láser está activado. ▪ R0, R1, R2: Reservado. ▪ Pulse: Encendido durante la emisión de un pulso (no visible para pulsos de picosegundos). ▪ Ethernet status: Encendido cuando hay comunicación Ethernet. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 20 de 72 Tabla 3: Diferentes combinaciones del M0, M1, M2 para los modos trigger ▪ Entradas y salidas BNC En el panel frontal se encuentran disponibles cinco entradas/salidas por conectores BNC. La descripción de estas señales se muestra en la Tabla 4. Tabla 4: Entradas y salidas del módulo PulsBox 2.3.2 Fuente del laser La fuente del láser tiene una pantalla LCD (Figura 14) en la parte superior izquierda donde se va a indicar toda la información del estado. Por ejemplo, el tiempo de espera de calentamiento del láser y dos leds a la derecha donde se indica si el láser está habilitado. Nombre Trig In Gate In Int Clk Continuos M0 On Off Off On M1 Off On Off On M2 Off Off On On Nombre I/O Voltaje mínimo Voltaje máximo Descripción Laser Clk (salida) 2.2V 2.7V Tren de pulsos a 10 MHz en fase con el oscilador del láser Trig In (entrada) 2.2V 2.7V Señal trigger de entrada Gate In (entrada) 2.2V 2.7V Señal de entrada. Si no está conectada, la señal está en alto (pull-up) Synch Out (salida) 0V 3.3V Lectura de la ventana de selección del pulso Pulse Out (salida) 0V 3.3V Lectura de la salida del pulso (señal analógica) Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 21 de 72 Figura 14: Fuente del laser 2.4 Analizador Lógico Digital Discovery (Figura 15) es una equipo compacto y portátil que combina la función de analizador lógico y generador de patrones el cual usamos para introducir patrones en el circuito y analizar las salidas de éste. Se conecta al circuito usando cables simples por sus entradas, sus salidas y conectándolo al ordenador vía USB. Para poder usarlo hay que instalar en el ordenador el driver gratuito WaveForms. Con el driver también se pueden crear formas de ondas, lectura de las señales y controlar las salidas a tiempo real con su interfaz. En nuestro caso controlamos el dispositivo mediante un programa Python. El programa genera patrones y luego usamos su librería para programar por Python la lectura del archivo .txt que genera las formas de onda que se representan en WaveForms y se la introducimos al Digital Discovery. La forma de hacer esto está explicado en la documentación del dispositivo a la que se puede acceder a través de la página principal de Digilent indicado en la bibliografía [19]. Una vez conectado el Digital Discovery por USB la mayoría de los errores que se suelen producir se deben a que el programa tiene la dirección incorrecta del aparato porque haya habido una interrupción del programa o se ha conectado el equipo después de abrir el programa. Estos problemas se solucionan cerrando el programa, desconectando y volviendo a conectar de nuevo el Digital Discovery y volver a abrir el programa. Si aparece una luz azul es que el Discovery está en modo espera, que es el estado necesario para generar un patrón. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 28 de 72 3 Descripción del circuito integrado El circuito integrado o ASIC utilizado como vehículo de test y usado en los ensayos está tiene en su interior tres bloques cada uno de los cuales incluye diseños de diferentes circuitos. Los principales diseños son cifradores de flujo Trivium, algunos de ellos con lógica adicional para permitir pruebas de contramedidas y de introducción de fallos además de algunos bloques de comunicación criptográfica. Para la realización de este TFG no ha sido necesario el conocimiento completo del funcionamiento del circuito Trívium, ya que solo se van a usar ciertos flip-flops de su registro de estado para comprobar el efecto de un haz del láser sobre ellos y cómo afecta al contenido almacenado en ellos el uso de diferentes energías de incidencia y el bombardeo en diferentes posiciones. Tampoco es necesario el conocimiento del funcionamiento completo del circuito integrado, aunque es aconsejable una pequeña explicación sobre el funcionamiento del cifrador de flujo Trivium. El cifrador Trivium es un cifrador de flujo basado en un registro de desplazamiento de 288 bits con realimentaciones en ciertos bits y que se puede dividir en tres registros de desplazamiento de diferente longitud (con 288 bits en total). El circuito es capaz de generar usando 80 bits de una clave y un vector de inicialización también de 80 bits, hasta 264 bits a la salida del circuito.. El proceso de inicialización requiere de 1152 ciclos de reloj antes de poder sacar una trama de datos encriptada [22]. También en el ASIC hay versiones para salidas multibit del cifrador Trivium, que permiten sacar varios bits en paralelo y versiones optimizadas del cifrador de flujo Trivium para consumo de baja potencia. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 29 de 72 3.1 Arquitectura del circuito de prueba Para los ensayos con el láser en este el TFG se han usado flip-flops que pertenecen a unos cifradores Trivium implementados en el ASIC que llevan además un registro de desplazamiento paralelo-serie asociado a su registro de estado serie de 288 bits que permite leer el contenido del registro y enviarla vía serie a la salida del circuito integrado, siendo posible por tanto leer y escribir estos registros y por consiguiente también sus flip-flops, véase la Figura 21. En los ensayos llevados a cabo se carga el registro de estado con valores lógicos de ceros y unos y a continuación se activa el láser pulsado para intentar producir en uno o varios flip-flops un cambio de valor (error). Después se comparan las salidas en el instante posterior del disparo para comprobar si ha habido cambio (se tiene hasta 288 flip-flops en cada registro del cifrador Trívium y se conocen sus posiciones en el ASIC). El proceso completo consiste en cargar en el circuito integrado la clave y el vector de inicialización que se va a utilizar en el Trivium (en este circuito esta carga se realiza de forma serie), pasarle al Trivium esta clave y este vector de inicialización (esto se hace de forma paralela) y una vez realizado el bombardeo con el láser cargar el registro de estado en el registro paralelo serie y sacar los datos al exterior de forma serie. Para automatizar el proceso se ha usado la señal de carga de los flip-flops del registro paralelo-serie como señal de disparo del láser. Después del disparo se lee este registro y se compara con los resultados anteriores para buscar patrones de fallos. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 30 de 72 Figura 21: Registro de desplazamiento y carga paralelo 3.2 Generación de patrones y adquisición de datos Para introducir los patrones en el registro de desplazamiento del ASIC se utiliza el analizador Digital Discovery (descrito en el Capítulo 2) el cual trae un programa gratuito llamado WaveForm (Figura 22) que permite crear patrones y cargarlos en el analizador. La primera acción que se debe hacer es generar un patrón con la aplicación WaveForm. Después se comprueba el funcionamiento del circuito con ese patrón capturando los datos en la salida, visualizándolos con la propia aplicación WaveForm y también se exporta a un archivo de texto (.txt). La interfaz finalmente tendrá que leer este archivo y procesarlo adecuadamente para coordinarlo con la generación del pulso del láser, el movimiento del sistema laser y la lectura de los datos del ASIC. El código para interpretar los archivos de texto, ejecutar el patrón e indicar los pines que se van a utilizar ya estaba realizado con anterioridad con indicaciones de todas las funciones necesarias y como utilizarlas [15]. En esta nueva versión se han añadido los ficheros y algunas optimizaciones en el código para que el programa tuviera más funciones y poder realizar los ensayos en menor tiempo. D Q D QD Q CK CK CK D Q CK Flip-flop-0 Flip-flop-1 Flip-flop-286 Registro de desplazamiento (288 flip-flops) Flip-flop-287 D Q CK E Flip-flop-0 D Q CK E Flip-flop-1 D Q CK E Flip-flop-286 D Q CK E Flip-flop-287 CAR GA RSTN RSTN RSTN RSTN CAR GA CAR GA CAR GA Registro Paralelo-Serie 288 bits CLK2 CLK2 OUT ASIC SI SI SI SI LOA D LOA D LOA D LOA D EE E E KEY_IN Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 31 de 72 Figura 22: Patrón creado en WaveForm Para generar un patrón lo primero que hay que tener en cuenta es que en el circuito a utilizar como banco de pruebas existen dos relojes. El reloj principal CLK, que se usa para todas las operaciones del circuito y el reloj secundario CLK2 que su usa para leer y escribir datos serie, por tanto, si no se quiere introducir ningún dato se puede dejar CLK2 como un valor constante. En primer lugar, hay que diseñar un patrón con un pulso de RESET (es una entrada activa en nivel bajo, por tanto, el pulso es un ‘0’ y después de un tiempo determinado se cambia a ‘1’ para inicializar los bits del registro e indicar la configuración para que se active los módulos que contienen el registro de desplazamiento y registro paralelo-serie. Después hay que activar la señal de habilitación del desplazamiento de los datos, LOAD tanto ciclos de reloj CLK2 como datos se quiera introducir. En nuestros casos necesitamos introducir 172 bits para cargar la clave, el vector de inicialización y algunos otros bits de activación de los diferentes relojes de los circuitos Trivium, por tanto, se deja la señal LOAD en ‘1’ durante 172 ciclos de reloj. Con esta operación se consigue cargar en el registro de estado los 160 bits pertenecientes a la clave y al vector de inicialización. Los restantes bits hasta completar los 288 bits están prefijados a valores lógicos de 0’s y 1’s. Por último, se activa un ciclo de reloj la señal de cargar para almacenar este valor en el registro paralelo-serie y si el láser se encuentra operativo activarlo, véase Figura 23. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 32 de 72 Para agilizar el ensayo cuando se quiere realizar otro disparo se le vuelve a introducir un valor lógico ‘0’ en la señal RESET para inicializar los módulos y se vuelve a hacer de nuevo los pasos anteriores. Véase figura 23. CLK2 LOAD SERIAL_IN CARGA Carga Registro Desplazamiento registro Figura 23: Cronograma de patrones de entrada Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 33 de 72 4 Descripción de la interfaz del programa 4.1 Introducción La interfaz está programada en Python y se ha usado la librería de PyQt5 para hacer la interfaz gráfica [16], ya que se estaba trabajando con este lenguaje y esta librería en los anteriores proyectos. La gran ventaja de esta librería es que además de ser sencilla tiene bastante documentación tanto en su página principal como por otros usuarios que hacen resúmenes del uso de dicha librería. Sin embargo, su gran defecto es el mal funcionamiento cuando se usa para sistemas que sean externos al ordenador o PC, por ejemplo, en nuestro caso con la conexión del pulso laser y el equipo Digital Discovery., Parece que no se gestiona bien cuando se hace procesos externos y las ventanas se quedan ‘congeladas’. Por ello hay que tener un poco de cuidado y limita algunas funciones como, por ejemplo, no es viable que informe a tiempo real los fallos que hay en un test ya que puede producir problemas en la ventana. Para los ensayos es necesario hacer incidir el haz de láser pulsado en una zona determinada del circuito integrado que contenga flip-flops para poder analizar su respuesta. . Se selecciona el registro de estado del cifrador de flujo Trivium y su registro paralelo asociado como banco de pruebas. Con este objetivo el programa primero recoge los datos sin usar el láser para obtener las salidas correctas del registro y luego hace incidir el láser pulsado en unos puntos indicados por sus coordenadas (X, Y) donde se tiene un flip-flop o varios. Después se recoge los datos y se compara con la salida correcta. Si se detecta alguna diferencia, se guarda la posición de las coordenadas donde se ha producido esta discrepancia o fallo, el tipo de fallo según su valor anterior e incluso es capaz de calcular solo con la salida, el flip-flop donde se ha producido el error. Finalmente muestra los fallos en una gráfica para que sea más visual para el usuario. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 34 de 72 En este TFG la nueva interfaz desarrollada permite hacer una ruta de puntos personalizada, eligiendo punto por punto el camino que va a seguir el láser o usando comandos que le permite diseñar con más agilidad la ruta. Se ha partido de un código realizado con anterioridad [17] el cual ha sido mejorado, simplificado y optimizado como en apartados posteriores se indica. 4.1.1 Iniciación del programa Para ejecutar los ensayos se necesitan tres aplicaciones. El navegador para entrar en los ajustes del PulsBox, la consola del PulSys para comprobar que todo esté conectado (PULSYS_Server_Controler) (Figura 24) y encendido en el momento de realizar un ensayo (antes de usar esta interfaz se introducía los comandos directamente al laser) y un compilador Python (JetBrains) donde va a estar la aplicación de escritorio del láser. Mientras se está diseñando el programa y no se transforme en un ejecutable se inicia desde el compilador. Figura 24: Programas de escritorio Primero para comprobar que todos los sistemas están preparados se abre la ventana de comandos (Figura 25). Esto permite modificar los parámetros de posición X, Y, Z, potencia del láser, tipo de disparo del láser, retraso, etc.., pero no se va a entrar en detalle ya que esto lo va a hacer la aplicación de escritorio. La ventana de comando permite ver todos los procesos que está realizando el láser a tiempo real. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 35 de 72 Figura 25: Consola de PulSys Luego hay que desactivar la sincronización del disparo, Trig In. Para ello se entra en el navegador y se introduce la dirección 192.168.1.31 (Figura 26). Se accede a la interfaz gráfica del módulo PulsBox Pico y se desmarca la opción Synchronize Trig In. Finalmente se pulsa apply all. También en esta ventana se puede apagar o encender el láser, útil cuando se interrumpe un experimento y se quiere apagar el láser de forma manual. Se puede modificar su retraso o delay y el modo de disparo o trigger. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 36 de 72 Figura 26: Interfaz gráfica del módulo pico Finalmente hay que abrir el compilador y ejecutar el programa, seleccionar si se quiere entrar en el modo “Prueba” (pulsar p en la consola) o en el modo “Normal” (pulsar n en la consola), véase interfaz del programa Apartado 4.4. El modo “Prueba” se utiliza para probar el funcionamiento del ASIC y preparar el cabezal del láser haciéndole un recorrido alrededor del chip. En el funcionamiento normal aparecer una ventana con tres pestañas Test Funcional, Introducción Fallos y, Bombardeo Manual, véase Figura 27. Cuando se esté dispuesto a hacer ensayos se selecciona la tercera pestaña la cual se corresponde con la nueva interfaz. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 37 de 72 Figura 27: Nueva interfaz 4.1.2 Colocar en la posición inicial el puntero laser Ahora que todos los sistemas están listos hay que colocar el puntero del láser en una posición de referencia. El programa cuando inicia un experimento guarda la primera posición y la usa como referencia para hacer sus movimientos y vuelve a ésta después de un experimento. Nosotros como punto de referencia usamos la esquina superior derecha de la U que esta dibujada en el circuito (Figura 28). Figura 28: Texto dibujado en el circuito Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 44 de 72 Si en la ventana inicial se pulsa ajustes (2) se abre esta ventana en paralelo y el botón aplicar (12) aplica los ajustes y cierra la ventana. Los apartados son: ▪ Voltaje (1): Indica el Voltaje (V) que se le aplica al circuito. ▪ Rango de energía (2): Selecciona el rango de energía. • rango: 0 -> Min, 1 -> Low, 2 -> High [24]. ▪ Rango de repetición (3): Permite seleccionar la tasa de repetición en frecuencia de la salida de laser [24]. • tasa: 1 -> 1 MHz, 2 -> 2 MHz, 3 -> 5 MHz, 4 -> 10 MHz, 5 -> 20 ▪ Modo del trigger (4): Lo normal es que sea pulsado, pero se le puede colocar continuo o en frecuencia a un reloj interno. ▪ Circuito (5): Para indicar el tipo de circuito integrado que se quiere analizar. ▪ Frecuencia (6): Divisor de frecuencia por el que el Digilent va a leer y enviar al ordenador. ▪ Salida a analizar (7): Es la salida del circuito por donde se van a leer los datos. ▪ Velocidad (8): Velocidad a la que va el láser (mm/s). ▪ Aceleración (9): Aceleración a la que va el láser (m/s2). ▪ Retraso (10): Tiempo que espera el láser una vez dada la señal para ejecutar un disparar (s). ▪ Energía (11): Energía que se aplica el láser pulsado en cada disparo *10-9 J. 4.3 Modo Prueba Al iniciar el programa se pregunta en la consola el modo en el que el usuario quiere comenzar, modo Programa (P) o modo Manual (M). Si se pulsa M o m, no se abrirá ninguna ventana y se preguntará por un número. Cada número es una acción independiente que está programada para hacer pequeñas acciones simples. Está indicada en el script prueba y la clase funciones manuales. Este modo no está preparado para un usuario habitual sino para programar, hacer Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 45 de 72 mantenimiento, ver código de ejemplo o para empezar a programar funciones y no tener que tratar con la interfaz. Las funciones se pueden clasificar por: - 1-5: Funciones de movimiento del láser. - 6-10: Funciones de configuración del láser, pero sin disparar excepto la 10 que si dispara y hay que tener la precaución necesaria. - 11-18: Funciones de la base de datos y el analizador lógico. - 19-23: Funciones más complejas en la que se dispara el láser y se comprueba algún fallo o se manipula la base de datos. Si se va a hacer algún disparo (la función 10 y las que estas entre la 19- 23) con el modo prueba siempre hay que tener las gafas puestas, las luces de seguridad activadas y cerrar la escotilla del microscopio por seguridad y para no dañar ningún componente. 4.3.1. Funciones generales (Bombardeo_manual) Este fichero tiene todas las funciones básicas y la pequeña base de datos que va a ser necesario para todos los procesos. Cada apartado es una clase del fichero y a continuación se hace una explicare resumidamente que hace cada función y variable pública. 4.3.1.1 Base de datos Tabla 5: variables base de datos Es una clase que contiene la función que guardar en vectores los valores tanto los sin errores como los que se ha experimentado. Lo más importante es la función GuardarUltimo que la declara cada vez que se hace un disparo del láser, Tabla 5 Nombre Función Variables entradas GuardarUltimo Guarda las cuatro variables para usarse luego k15, k14, k13, k12 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 46 de 72 4.3.1.2 Función manual Esta clase es la que contiene todas las funciones básicas del programa. Se van llamando en las clases posteriores y así solo hay que asegurar que estas funciones estén bien implementadas Tabla 6 y Tabla 7. Tabla 6: Función manual Nombre Función Variables de entrada Calentamiento Recorre un cuadrado un numero X de veces a una velocidad x, y, Hi, Le, Veces, Velocidad • (x/y): Posicion de la esquina inferior izquierda del cuadrado (float) • Hi: Altura del cuadrado (micras)(float) • Le: Anchura del cuadrado (float) • Veces: Número de veces que realiza el movimiento (int) • Velocidad Velocidad a la que realiza el movimiento (float) ConectarMaquina Conecta el módulo pico y abre el brazo. aceleracion, velocidad • Aceleración: Aceleración inicial del cabezal(float) • Velocidad: Velocidad inicial del cabezal (float) PreparandoBombardeo Prepara el láser para el ensayo e introduce las configuraciones. EnergyRange, RepetitionRate, TriggerMode, EnergyElec • EnergyRange: Selecciona el rango de energía. ▪ rango: 0 -> Min, ▪ rango: 1 -> Low, ▪ rango: 2 -> High [24]. • RepetitionRate: Permite seleccionar la tasa de repetición en frecuencia de la salida de laser [24]. Tasa: Nombre Función Tipo K15, k14, k13, k12 Variables que se guardan list SalidasCerosCorrecta Salida del circuito correcta con ‘0’ lógico Vector SalidasUnoCorrecto Salida del circuito correcta con ‘1’ lógico Vector PosicionFalloX Vector de posición de fallos respecto el eje X Vector PosiciónFalloY Vector de posición de fallos respecto el eje Y Vector RegistrosFallos Vector de los diferentes tipo de registros que han fallado Vector Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 47 de 72 PreparandoBombardeo ▪ 1 -> 1 MHz, ▪ 2 -> 2 MHz, ▪ 3 -> 5 MHz, ▪ 4 -> 10 MHz, ▪ 5 -> 20 MHz. • TriggerMode: Elige la respuesta del láser cuando se activa ▪ 1 ->Trig In, ▪ 2 -> Gate In, ▪ 3 -> Int Clk, ▪ 4 -> Continuous • EnergyElec: La energía que proporcionada el láser cuando se activa. El valor se multiplica por 10^-9 j Apagarlaser Desconectar laser y quita la conexión con el pc CargarAnalizador Enciende el analizador lógico. circuito,f_clk • Circuito: Numero entero que se introduce según el circuito. ▪ 1: Trivium fallo 0 y 1. ▪ 2: Trivium fallo de baja potencia 0 y 1. ▪ 3: Trivium fallo x2 0 y 1. ▪ 4: Trivium fallo x2 de baja potencia 0 y 1. ▪ 5: Trivium fallo x8 0 y 1, 6-> Trivium fallo x8 de baja potencia 0 y 1. ▪ 6: Trivium fallo x16 0 y 1, 7-> Trivium fallo x16 de baja potencia 0 y 1. • F_clk: Frecuencia a la que se divide el reloj del analizador lógico. CargarFuncion Carga los valores de entrada en un formato .txt diseñado en WaveForm dir,circuito,f_clk • Dir: Localización del archivo TxT. • Circuito: Numero entero que se introduce según el circuito. ▪ 1: Trivium fallo 0 y 1. ▪ 2: Trivium fallo de baja potencia 0 y 1. ▪ 3: Trivium fallo x2 0 y 1. ▪ 4: Trivium fallo x2 de baja potencia 0 y 1. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 48 de 72 CargarFuncion ▪ 5: Trivium fallo x8 0 y 1, 6-> Trivium fallo x8 de baja potencia 0 y 1. ▪ 6: Trivium fallo x16 0 y 1, 7-> Trivium fallo x16 de baja potencia 0 y 1. • F_clk: Frecuencia a la que se divide el reloj del analizador lógico. GuardarEnBaseDeDatos Guarda la última salida del circuito índice, Salida. • Índice: introducir “Ceros” cuando es una salida correcta con 0 lógico y “Uno” cuando es de 1 lógico • Salida: Salida que se quiere guardar (“K12”,” K13”,”K14,”K15”). Comparar Compara dos vectores de datos y devuelve si son distintas o igualas. Si son distintas devuelve el registro donde estaría el error. El error se calcula porque se conoce la frecuencia del analizador lógico de digilent. Se sabe que son 6 veces más rápida que el circuito por tanto si se encuentra 6 bit de diferencia entre la salida correcta y la incorrecta sabemos que es un fallo. El calculo del registro se hace calculando la posición del primer bit que falla, se divide entre 6 y se le suma dato1, dato2 IniciarBomba Combina las funciones anteriores para encender el láser pulsado y conectar el analizador lógico y se prepara para hacer una prueba. velocidad, Aceleracion, energiaRange, RepetitionRate, TriggerMode, EnergyElec, QueSeAnaliza, clk, circuito, Salida, MenuGuardado • Velocidad: Velocidad inicial (float) • Aceleración: Aceleración inicial (float) • energiaRange: Selecciona el rango de energía. • rango: 0 -> Min, • 1 → Low, • 2 → High [24]. • RepetitionRate: Permite seleccionar la tasa de repetición en frecuencia de la salida de laser [24]. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 49 de 72 IniciarBomba • tasa: 1 → 1 MHz, • 2 → 2 MHz, • 3 → 5 MHz, • 4 → 10 MHz, • 5 → 20. • TriggerMode: Elige la respuesta del láser cuando se activa. • 1 →Trig In, • 2 → Gate In, • 3 → Int Clk, • 4 → Continuous. • EnergyElec: Energía que da el láser cuando se activa. El valor se multiplica por 10^-9 j máximo 50x10-9 J • QueSeAnaliza: Se debe introducir 0,1,2 • 0-> Se guarda salida sin fallos de 0 lógico. • 1-> se guarda salidas sin fallos de 1 lógico. • 2-> se guarda salidas sin fallos de 0 y de 1 lógico. • Clk: Frecuencia a la que se divide el reloj del analizador lógico para leer los datos. • Circuito: Es un numero entero que se introduce según el circuito [17] ▪ 1: Trivium fallo 0 y 1. ▪ 2: Trivium fallo de baja potencia 0 y 1. ▪ 3: Trivium fallo x2 0 y 1. ▪ 4: Trivium fallo x2 de baja potencia 0 y 1. ▪ 5: Trivium fallo x8 0 y 1, 6-> Trivium fallo x8 de baja potencia 0 y 1. ▪ 6: Trivium fallo x16 0 y 1, 7-> Trivium fallo x16 de baja potencia 0 y 1. • Salida: Salida la cual se quiere analizar. (“K12”,” K13”,” K14,” K15”) • MenuGuardado: Fichero del menu Si no se usa el menú hay que borrar todas las referencias dentro de Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 50 de 72 esta función de la variable MenuGuardado. Disparar Realiza un disparo en un lugar concreto Cargar, X, Y, energia, clk, circuito • Cargar: elegir “0” para introducir 0 lógico, elegir. “1” para introducir 1 lógico. • X, Y: Posición x y donde se quiere disparar. • Energía: Energía con la que dispara el laser. • Clk: Frecuencia a la que se divide el reloj del analizador lógico para leer los datos • Circuito: Tipo de circuito [17] ▪ 1: Trivium fallo 0 y 1. ▪ 2: Trivium fallo de baja potencia 0 y 1. ▪ 3: Trivium fallo x2 0 y 1. ▪ 4: Trivium fallo x2 de baja potencia 0 y 1 ▪ 5: Trivium fallo x8 0 y 1, 5-> Trivium fallo x8 de baja potencia 0 y 1. ▪ 6: Trivium fallo x16 0 y 1, 7-> Trivium fallo x16 de baja potencia 0 y 1. Tabla 7: Tablas función manual 4.3.1.3 Automatización Esta es una clase que está muy relacionada con la interfaz nueva y solo tiene una función, Tabla 8. Tabla 8: Automatización Nombre Función Variable salida RecabarDatos Recaba todos los datos introducidos en la interfaz. Comprueba los errores si los hay y ejecuta una prueba según este indicada en la interfaz Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 51 de 72 4.3.2. Código de la interfaz gráfica (Bombardeo_personalizado) El fichero menú_bombardeo_manual realiza la programación de todas las ventanas de la nueva interfaz. Para programar la interfaz se usa una librería de Python llamada PyQt5 [16]. que tiene una aplicación para diseñar interfaz llamada PyQt5_design. La ventaja de esta aplicación es que no necesitas programar código para crear ventanas sencillas y luego en Python con la función Uic.loadUI(dirección_de_la_ventana_ en_el_ordenador, class_donde_se_quiere_asociar). El problema que se encontró es que para poder programar una interfaz para dibujar objetos y que actualice la posición de estos objetos no se podía usar la aplicación. Por tanto, tuve que programar todo manualmente (Figura 35). Para ello lo primero que hay que hacer es crear unas clases por cada ventana que se va a utilizar (MiVentana, VentanaDatos, VentanaAjustes, VentanaEditorPuntos) y hay que indicar por código que esa clase va a tener la función de ventana. Que jerarquía va tener tamaño, nombre, color, etc… Luego si se tiene guardada la clase en otro script se puede usar la función show() para enseñar por pantalla la ventana nueva. Figura 35: Código inicio ventana Lo segundo que hay que hacer es crear todos los elementos estáticos que tiene la interfaz. Para programar de una forma ordenada se propone la creación de estos objetos en una función que se llama en el Init de la clase ( _init_ en Python, es una función que siempre se ejecuta cuando se declara una clase por primera vez). Por ejemplo, en la clase mi ventana el cual es la clase de la ventana Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 52 de 72 principal tiene una función llamada CrearObjetosInit(self) donde se crea todos los elementos estáticos y luego al final de la función init la llama. Para crear un objeto PyQt5 tiene en su librería una serie de clases que tienen diferentes funciones. Para aclararlo se usa las clases Qlabel para poner texto en una posición de la ventana o imágenes. Se le pasa la dirección de un archivo .png. Para crearla solo haría falta guardar en una variable Qlabel que hará referencia a lo que queremos crear, indicar tamaño y pasar la dirección del .png si es una imagen o pasar un texto he indicar tamaño y fuente del texto. Así se haría con todos los objetos individualmente (Figura 36). Figura 36: Código de la barra del Eje x Y finalmente hay que crear los objetos dinámicos, que serían los puntos de la interfaz. El problema de estos objetos es que se desconoce cuántos de estos se van a tener que crear y en qué posición van a terminar. Para solucionarlo se crea una clase específica para este objeto llamada Punto(self). De tal forma que se puede crear tantas clases Punto(self) como se quiera y dentro de esta clase se tendría guardada las variables de posición y la localización de los archivos .png que haría referencia al dibujo del punto con un 1 (Figura 37) o el punto con un 0 (Figura 38). Figura 37: Punto con cambio 0->1 Figura 38: Punto con cambio 1->0 Luego dentro de esta clases se crean tres funciones llamadas CrearPunto(self,Ventana,Bit), BorrarPunto(self), Localizar(self,x,y,maxx,maxy). CrearPunto (Figura 39) que se utilizan para indicar a que ventana corresponde esta clase y que foto se quiere usar 1/0. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 53 de 72 Localizar se usa para mover la foto desde un punto a otro de la ventana sin tener que borrar y volver a crear BorrarPunto sirve para borrar el punto y liberar el espacio en memoria. Al final esta clase se llamaba tantas veces como puntos sean necesarios en una de las ventanas anteriores y se almacenaba en un vector para tenerlas localizadas. Figura 39: Clase punto Como se ha indicado antes todas estas funciones se pueden buscar en la librería de PyQt5 [16] o mirar el programa de Qt Designer que trae ejemplo de programación de estos objetos (Figura 40). Figura 40: Códigos ejemplo Qt Design Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 60 de 72 Tabla 9: Análisis por zona Unas de las conclusiones más directa de este ensayo es que los flip-flop donde la VDD está la izquierda y la GND a la derecha (R90 y MY90) tienen los Unos más a la derecha (cerca de GND) y los Ceros a la izquierda (más cerca de VDD) y en los otros dos (R270 y MX90), los Unos estarían a la izquierda y los Ceros a la derecha, pero como estos tipos de flip-flop al girarse también giran GND y VDD seguirían conservando la relación de los Ceros y Unos con GND y VDD. Por tanto, se podría sacar una relación entre estas dos variables para sacar los datos de un flip-flop. El problema que tiene esta relación es que antes de hacer algún experimento habría que localizar los carriles de alimentación de los flip-flop y el resultado no se vería de forma directa porque está en función de las referencias de los raíles de alimentación, además existen algunas posiciones registradas que están en valores negativos respecto el eje X o son mayores de 3 micrómetros (esta sería la anchura máxima de un flip-flop en nuestra tecnología) que no se ha encontrado 0 2 4 6 8 -2 0 2 4 6 Eje Y Eje X R90 0 -->1 1 -- >0 0 2 4 6 8 -2 0246 eje Y Eje X MX90 0 -->1 1 -->0 0 2 4 6 8 -2 0246 Eje Y Eje X R270 0 --> 1 1 -->0 0 2 4 6 8 -2 0 2 4 6 Eje Y Eje X MY90 0 --> 1 1 -->0 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 61 de 72 su significado o si se debe a un error de la herramientas de medida. 5.2.2 Análisis a baja energía Para analizar esta hipótesis se comprueba la posición del flip-flop con una energía de 1.5 nJ y se selecciona una zona donde se encuentra un flip-flop. Se hace ensayos a 0.5 nJ y registrándose el número de fallos. Por tiempo solo se analizaron 3 tipos de flip-flops MY90, R270 y R90. Tabla 10: Análisis de los flip-flops a baja energía Las tres graficas de la Tabla 10 tienen algo en común. En los tres flip-flop hay una relación 21 Unos contra 2 Ceros (MY90: 21 Unos /2 Ceros, R270 20 Unos/1 Ceros, R90 23 Unos /2 Ceros). Esto vendría a decir que a energía bajas es más fácil introducir fallos de Unos respectos fallos de Ceros y se vería de una forma bastante clara. El problema de este método es que habría que descubrir antes de usarlo cual es la energía donde se produce esta relación, la cual depende de 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 -4,00 -3,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 >Eje Y Eje X MY90 0--> 1 1--> 0 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 EjE Y Eje X R270 0 -->1 1--> 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 -2,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 Eje Y Eje X R90 0--> 1 1--> 0 Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 62 de 72 la tecnología. Pero se puede averiguar si antes se hace varios ensayos probando desde energía más baja hasta la más alta y analizando los resultados. 5.3 Ensayo con flip-flop de solo lectura Para probar estas deducciones se decide hacer un test con flip-flop los cuales son solo de lectura, con el objetivo de intentar deducir el valor que tiene almacenado. Primero se le hace un ensayo a 1.5 nJ a dos flip-flop. El primero contiene un ‘0’ y el segundo contiene un ’1’, véase la Tabla11. Tabla 11: Análisis de los flip-flops de lectura En el primer caso solo se encuentra una zona que damos a entender que es donde está un flip-flop. En el segundo caso se encuentra has tres zonas distintas. Analizando las salidas del circuito y observando que bit cambia respecto a una salida sin fallos, gracias a esto podemos deducir que la zona de la izquierda y la del centro (la que solo tiene tres fallos) son fallos del mismo flip-flop y la zona de la derecha es la de uno distinto, porque hay dos flip-flop que están cerca. Ahora se realiza un ensayo analizando la misma área, pero bajando a la energía a 0.5 nJ, Tabla 12. 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 Eje Y Eje X Registro de 0 a 1.5 nJ solo lectura Fallos 0 2 4 6 8 10 02468 Eje Y Eje X Registro de 1 a 1.5 nJ solo lectura Fallos Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 63 de 72 Tabla 12: Análisis flip-flop baja energía En el primer caso se encuentra 4 fallos y en el segundo caso no se encuentra ningún fallo. Por tanto como se dice en el apartado anterior es más fácil producir un cambio del valor lógico interno del flip-flop de 0→1 que de 1→0 en una relación de 21 respecto 1 fallo. Esto confirma que en el primer caso se tiene un valor de ‘0’ lógico almacenado y en el segundo caso los dos flip-flop tienen un ‘1’ lógico. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Eje Y Eje X Registro de 0 a 0.5 nJ solo lectura Fallos Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 64 de 72 6. Conclusión Como se ha indicado en este Trabajo de Final de Grado, el láser pulsado es un tipo de ensayo que puede llegar a dar cierta información sobre un ASIC. Esta información se puede utilizar para analizar las vulnerabilidades de un circuito o para obtener información secreta como puede ser las claves de un circuito de encriptación. Se ha detectado también que nuestro equipo tiene ciertas imprecisiones en el movimiento de desplazamiento de cabezal del láser, se ha detectado en algunas medidas que el cabezal de laser se desplaza algunas micras entre ensayos o que algunos de los circuitos integrados presentaban algunas imperfecciones en el pulido que dificultaban las medidas. Por estos motivos se diseñó un método para los ensayos que tardaba más tiempo en dar los resultados, pero daba los resultados más precisos y se eliminaba algunos errores que podían dar las muestras. Una vez realizado los ensayos se demuestra que se puede llegar conocer la posición de un flip-flop y su valor lógico almacenado por dos métodos distintos. Tanto porque hay una cierta diferencia en la posición de los errores en los Ceros como en los errores de los Unos como que los errores de los Unos son más frecuentes a baja energía. Pero los dos métodos a pesar de ser diferentes se pueden usar de forma simultanea para asegurar los resultados de los ensayos. Por esto en algunos circuitos que puedan estar en entornos afectados por láser o radiación necesitarían algún tipo de protección o como mínimo que se conozca cuáles son sus vulnerabilidades y la repercusión de que ocurra algún fallo en uno de sus registros. Para aumentar la seguridad a día de hoy se han realizados otros ensayos tales como poner un sensor de corriente inducida, reiniciar el circuito cuando se detecta alguna anomalía [12] o crear simulaciones del circuito en entornos hostiles o ante un efecto de un láser pulsado para analizar sus vulnerabilidades e intentar mitigarlas [10][13][14]. Memoria Documento 1 Estudio de la inserción de fallos en un flip-flop de un circuito integrado con láser pulsado. Página 65 de 72 6 Bibliografía [1] S. P. Skorobogatov and R. J. Anderson, “Optical fault induction attacks,” in 4th International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, ser. CHES ’02. London, UK, UK: Springer-Verlag, 2002, pp. 2–12. [2] R. A. C. Viera, P. Maurine, J. -M. Dutertre and R. Possamai Bastos, "Simulation and Experimental Demonstration of the Importance of IR-Drops During Laser Fault Injection," in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 39, no. 6, pp. 1231-1244, June 2020, doi: 10.1109/TCAD.2019.2928972. [3] J. -M. Dutertre et al., "Laser Fault Injection at the CMOS 28 nm Technology Node: an Analysis of the Fault Model," 2018 Workshop on Fault Diagnosis and Tolerance in Cryptography (FDTC), 2018, pp. 1-6, doi: 10.1109/FDTC.2018.00009. [4] F. Courbon, J. J. A. Fournier, P. Loubet-Moundi and A. 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