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Spying Across Chiplets: Side-Channel Attacks in 2.5/3D Integrated Systems

Ce papier démontre que des attaques par canal auxiliaire peuvent être exécutées à travers des puces dans des systèmes intégrés 2,5D/3D en détournant des interfaces orientées communication, telles que des antennes ou des éléments RFID, pour capturer des signaux corrélés à l'activité de puces voisines victimes.

Auteurs originaux : Giorgio Di Natale, Christelle Rabache, Pierre-Louis Hellier, Florence Podevin, Sylvain Bourdel, Romain Siragusa, Paolo Maistri

Publié 2026-05-12

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Giorgio Di Natale, Christelle Rabache, Pierre-Louis Hellier, Florence Podevin, Sylvain Bourdel, Romain Siragusa, Paolo Maistri

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez une ville high-tech construite à l'intérieur d'une seule et unique boîte minuscule. Dans cette ville, au lieu d'avoir un seul immeuble géant où tout se déroule, le travail est réparti entre plusieurs petites maisons spécialisées appelées chiplets. Une maison fait les calculs, une autre gère la mémoire, et une troisième est conçue spécifiquement pour communiquer avec le monde extérieur en utilisant des ondes radio (comme une talkie-walkie ou une étiquette RFID).

Le document que vous avez partagé traite d'une méthode sournoise par laquelle un voleur pourrait voler des secrets de la « maison des calculs » en écoutant à travers la « maison radio », même si elles sont censées être séparées.

Voici la décomposition de leur découverte :

1. Le Contexte : Des voisins dans un petit appartement

Considérez le boîtier de la puce comme un immeuble très bondé.

La Victime : Un chiplet effectuant des calculs secrets (comme le décryptage d'un mot de passe). Chaque fois qu'il effectue un calcul, il produit de minuscules « bruits » ou vibrations électriques, tout comme une personne qui parle dans une pièce.
L'Espion : Un chiplet voisin conçu pour émettre et recevoir des signaux radio. Il possède une antenne, qui est essentiellement un bâton métallique conçu pour capter les ondes du monde extérieur.

2. La Grande Idée : L'antenne à « double usage »

Habituellement, nous considérons une antenne comme un outil pour communiquer avec l'extérieur. Mais les chercheurs ont réalisé qu'une antenne est aussi un excellent outil pour écouter ses voisins.

Parce que la « maison des calculs » et la « maison radio » sont emballées si étroitement ensemble à l'intérieur du même boîtier, les minuscules vibrations électriques provenant des calculs secrets peuvent traverser l'espace et faire vibrer l'antenne du chiplet radio.

Le document affirme qu'un pirate informatique n'a pas besoin de forcer le boîtier ni de coller une sonde sur la puce victime. Au lieu de cela, il peut simplement prendre le contrôle de la « maison radio » (le chiplet de communication) et utiliser son antenne pour écouter la « maison des calculs ».

3. Comment l'attaque fonctionne (L'expérience)

Les chercheurs ont testé cette idée en trois étapes :

Étape 1 : L'écoute directe. D'abord, ils ont écouté directement la « maison des calculs » en utilisant un outil standard. Ils ont réussi à déterminer la clé secrète simplement en entendant le bruit électrique. Cela a prouvé que le bruit était assez fort pour être utile.
Étape 2 : La simulation. Ensuite, ils ont utilisé un ordinateur pour simuler la « maison radio » située à côté de la « maison des calculs ». Ils ont modélisé comment le bruit électrique voyagerait à travers l'air (ou le matériau les séparant) et frapperait l'antenne. Ils ont constaté que le bruit traversait bien l'espace, mais qu'il était déformé, comme une voix qui sonne différemment lorsqu'elle est entendue à travers un mur.
Étape 3 : La récupération. Enfin, ils ont tenté de décoder le secret en utilisant le signal déformé capté par la « maison radio ».
- La Surprise : Le signal n'était pas une copie parfaite. Il avait été modifié par la physique de son trajet (comme un son qui change lorsqu'il rebondit sur un mur).
- La Correction : Pour un type de connexion (capacitive), le signal ressemblait à la vitesse du bruit plutôt qu'au bruit lui-même. Les chercheurs ont dû effectuer un peu de « rétro-ingénierie » mathématique (intégration) pour le retransformer en un message lisible.
- Le Résultat : Même avec la déformation, ils ont pu récupérer la clé secrète.

4. Ce que cela signifie

Le document conclut que l'isolation physique ne suffit pas. Le fait que deux puces soient séparées logiquement (elles ne partagent pas de fichiers de données) ne signifie pas qu'elles sont isolées physiquement.

La Métaphore : Imaginez que vous êtes dans une pièce insonorisée essayant de garder un secret. Vous pensez être en sécurité. Mais votre voisin, censé écouter la radio, possède un microphone si sensible qu'il capte votre battement de cœur à travers les planchers. Si le voisin est un espion, il peut entendre votre secret sans jamais entrer dans votre pièce.

Résumé des découvertes

La Menace : Un chiplet de communication malveillant ou compromis peut agir comme un espion pour ses voisins.
La Méthode : Il utilise sa propre antenne ou ses parties sans contact pour capter les « fuites » électromagnétiques d'un chiplet voisin.
La Réalité : Le signal devient bruyant et change de forme en se propageant, de sorte que l'attaquant doit être intelligent dans la façon dont il nettoie le bruit pour lire le secret.
La Limitation : Les chercheurs admettent que leur simulation informatique était un modèle simplifié. Les puces réelles pourraient avoir plus de bruit ou des matériaux différents qui affaiblissent le signal, mais le principe de base tient : le signal peut fuir.

En bref, le document met en garde que dans l'avenir des puces informatiques minuscules et empilées, les parties conçues pour communiquer avec le monde extérieur pourraient accidentellement (ou intentionnellement) devenir les meilleurs dispositifs d'écoute pour espionner vos secrets.

Résumé technique : Espionnage entre chiplets : Attaques par canal auxiliaire dans les systèmes intégrés 2,5D/3D

Énoncé du problème
L'industrie des semi-conducteurs évolue du scaling monolithique vers l'emballage avancé et les architectures basées sur des chiplets (intégration 2,5D/3D) afin d'atteindre modularité, amélioration du rendement et gains de performance. Cependant, cette transition introduit de nouvelles surfaces d'attaque physiques. Alors que des recherches antérieures ont établi que l'isolation logique ne garantit pas l'isolation par canal auxiliaire sur des plateformes FPGA partagées ou des cartes multi-puces, les implications spécifiques de sécurité de l'intégration hétérogène de chiplets restent sous-explorées.

Le problème central abordé est de savoir si un chiplet orienté communication — légitimement intégré dans un boîtier pour interagir avec l'environnement externe via des antennes, des éléments de type RFID ou des structures de couplage sans contact — peut être détourné en une plateforme d'observation interne. Les auteurs examinent si un tel chiplet peut capturer des fuites électromagnétiques ou sans contact d'un chiplet « victime » voisin exécutant des charges de travail sensibles à la sécurité (par exemple, des opérations cryptographiques), permettant ainsi des attaques par canal auxiliaire depuis l'intérieur du boîtier sans sondes externes.

Méthodologie
L'article propose un modèle de menace où un adversaire contrôle ou détourne un chiplet de communication légitime, capable de radiofréquence, pour espionner une victime co-emballée. L'attaque repose sur la proximité physique des chiplets au sein d'un même boîtier ou empilement, exploitant des mécanismes de couplage tels que les émissions électromagnétiques, le couplage en champ proche, le couplage par substrat ou la propagation au niveau du boîtier.

La validation expérimentale suit un flux en trois étapes pour évaluer la faisabilité :

Validation de référence : Une attaque par analyse de puissance différentielle (DPA) est réalisée sur un circuit cryptographique de 130 nm (opération de boîte S AES) en utilisant des mesures directes du courant d'alimentation ( $I(V_{DD})$ ) pour confirmer la présence de fuites exploitables dépendantes du secret.
Simulation électromagnétique : Une simulation électrique 3D utilisant des solveurs par la méthode des éléments finis (FEM) modélise le couplage entre le chiplet victime et un chiplet observateur. Deux scénarios de couplage sont simulés :
- Couplage capacitif : Modélisé via une sonde à plaque métallique.
- Couplage inductif + capacitif : Modélisé via une sonde à ligne métallique alignée avec la rail d'alimentation.
  La simulation utilise une pile de matériaux personnalisée pour émuler le milieu inter-chiplet (espaces d'air ou diélectrique) et capture le signal de fuite induit sur l'observateur.
Analyse du signal : Les signaux couplés récupérés sur le chiplet observateur sont analysés en utilisant la même méthodologie DPA. Pour le couplage capacitif, le signal brut (qui ressemble à la dérivée du courant original) est intégré numériquement pour reconstruire une forme d'onde compatible avec le modèle de fuite standard du poids de Hamming. Pour le couplage inductif + capacitif, le signal brut est analysé directement.

Contributions clés

Définition du modèle de menace : L'article formalise un modèle d'adversaire réaliste où un chiplet de communication agit comme une structure à double usage : fonctionnant comme prévu pour la communication externe tout en servant simultanément de capteur de canal auxiliaire interne.
Démonstration de faisabilité : Grâce à une simulation expérimentale, les auteurs démontrent que des informations dépendantes du secret (spécifiquement, une clé AES de 8 bits) peuvent être récupérées à partir d'un chiplet voisin via un couplage inter-chiplet.
Caractérisation du signal : L'étude révèle que la fuite observée entre chiplets n'est pas une simple réplique du signal de la victime. Le mécanisme de couplage transforme considérablement la forme d'onde (par exemple, agissant comme un filtre passe-haut dans le couplage capacitif), nécessitant des stratégies spécifiques de reconstruction ou d'adaptation du signal avant une récupération réussie de la clé.

Résultats

Référence : L'attaque DPA sur le courant d'alimentation direct a permis de récupérer avec succès la clé secrète en utilisant 256 traces.
Couplage capacitif : Le signal capturé par le chiplet observateur était la dérivée temporelle du courant original. Après intégration numérique pour reconstruire la forme d'onde originale, l'attaque DPA a permis de récupérer avec succès la clé secrète, montrant un pic dominant pour l'hypothèse correcte.
Couplage inductif + capacitif : Le signal couplé brut contenait des informations exploitables, mais la fuite était moins distincte dans les premières parties de la trace en raison d'effets de propagation complexes. La clé secrète pouvait toujours être récupérée, mais le pic du discriminateur était principalement visible lors des événements de commutation finaux de l'opération sensible.
Limitations : Les auteurs notent que la simulation a utilisé des piles de matériaux et des géométries simplifiées qui ne reflètent pas parfaitement les technologies réelles de Back-End-Of-Line (BEOL) ou les réseaux de distribution d'alimentation réalistes (par exemple, les condensateurs de découplage). Par conséquent, bien que les résultats prouvent que la fuite de signal est possible, la puissance et l'intégrité du signal fuité dans un scénario réel nécessitent une plus grande prudence.

Portée et affirmations
L'article prétend combler une lacune critique dans la littérature en investiguant expérimentalement le détournement des interfaces de communication pour l'espionnage par canal auxiliaire au sein d'un même boîtier. Il soutient que la frontière entre les structures de communication et les structures de détection dans les systèmes hétérogènes devient floue.

La signification principale réside dans la démonstration que l'isolation physique au niveau logique n'implique pas l'isolation par canal auxiliaire au niveau système dans l'emballage avancé. Les auteurs concluent que les futures conceptions sécurisées pour les architectures multi-chiplets doivent prendre en compte le risque à double usage des interfaces de communication et les effets de couplage physique inhérents à l'intégration 2,5D/3D. Ils suggèrent que des contre-mesures efficaces nécessiteront de traiter les chemins de fuite physique créés par le couplage au niveau du boîtier et le placement relatif des chiplets hétérogènes, plutôt que de compter uniquement sur l'isolation logique.