[論文レビュー] Security Analysis of Tunnel Field-Effect Transistor for Low Power Hardware

Shayan Taheri, J.S. Yuan|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、低消費電力コンピューティングシステムにおけるトンネルフィールド効果トランジスタ（TFET）のセキュリティインパクトを分析し、エネルギー効率と面積効率の優位性を示しながら、特異なデバイス特性に起因するハードウェアセキュリティの強化可能性と新たな攻撃ベクトルの可能性を評価している。研究の結論として、TFETは安全で低消費電力なハードウェアに有望なトレードオフを提供するが、プロセス変動および環境要因への感受性のため、慎重な脅威モデリングが不可欠である。

ABSTRACT

Security and energy are considered as the most important parameters for designing and building a computing system nowadays. Today's attacks target different layers of the computing system (i.e. software and hardware). Introduction of new transistor technologies to the integrated circuits design is beneficial, especially for low energy requirements. The new devices have unique features and properties that provide security advantages. However, these properties may come to the aid of an adversary to design stronger attacks. Therefore, the advantages as well as the disadvantages of these technologies need to be well studied. This paper demonstrates the area and power efficiency of the tunnel field-effect transistor (TFET) technology along with analyzing its security aspects.

研究の動機と目的

• トンネルフィールド効果トランジスタ（TFET）の低消費電力集積回路におけるセキュリティインパクトを評価すること。
• サブスレッショルドスイングや低リーク率といったTFET固有の特性が、ハードウェアセキュリティをどのように強化または損なうかを特定すること。
• 従来のMOSFETと比較して、TFETがサイドチャネル耐性およびフォールトインジェクション耐性にどのような利点を提供するかを評価すること。
• プロセス変動および温度感度を含むTFETデバイス特性によって可能になる新たな攻撃ベクトルを調査すること。

提案手法

• 消費電力、面積効率、リーク電流の観点から、TFETと従来のMOSFET技術を比較分析する。
• プロセス変動および環境要因（例：温度）がTFET動作に与える影響をモデル化し、サイドチャネルリークに与える影響を評価する。
• しきい値電圧の不安定性およびスイッチング動作の分析を通じて、TFETベース回路に対するフォールトインジェクション攻撃の妥当性を評価する。
• デバイスレベルのシミュレーションを用いて、さまざまな条件下でのTFETのサブスレッショルドスイングおよびオン電流特性を検討する。
• TFET特有の電流-電圧応答に基づく、パワー分析攻撃およびタイミング攻撃の可能性を評価する。
• セキュリティ脅威モデリングとデバイス物理学を統合し、TFET技術固有の攻撃表面を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TFETのサブスレッショルドスイングは、低消費電力ハードウェアにおけるパワー分析攻撃の実行可能性にどのように影響するか？
• RQ2 TFETにおけるプロセス変動は、従来のトランジスタと比較して、サイドチャネルリークのリスクをどの程度高めるか？
• RQ3 TFETの低リーク電流および高いオン電流比は、フォールトインジェクション攻撃に対する耐性を向上させることができるか？
• RQ4 温度および電源電圧変動への感受性に起因して、どのような新たな攻撃ベクトルが生じるか？
• RQ5 TFET特有の電流-電圧挙動は、安全なハードウェア対策の設計にどのように影響を与えるか？

主な発見

• TFETは、急峻なサブスレッショルドスイングのおかげで、従来のMOSFETと比較して顕著に低い消費電力を達成するため、エネルギー効率の高いハードウェア設計が可能になる。
• TFETの低リーク電流は、静的消費電力の低減に寄与し、特定のサイドチャネルリーク攻撃の緩和に寄与する可能性がある。
• TFETにおけるプロセス変動は、デバイス間の不一致を増大させ、サイドチャネル解析を通じて新たな情報を露呈する可能性がある。
• 環境への感受性、特に温度への感受性は、変動性を引き起こし、フォールトインジェクション攻撃の悪用に利用される可能性がある。
• TFET特有の電流-電圧特性は、新しい対策手法の実現を可能にするが、従来のCMOS回路に存在しない新たな攻撃表面を生じさせる可能性がある。
• 非線形挙動および外部条件への感受性のため、TFETベースの回路は、既存のハードウェアセキュリティモデルの再評価を要する。