Brevet FR3041442A1 — publié le 20170324

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un chronomètre com- portant un dispositif dont l'état varie dans le temps et une unité d'exploitation dans laquelle est enregistré un état de référence. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un tel chronomètre. Etat de la technique Les techniques connues de mesure sans alimentation électrique sont fondées sur des procédés physiques qui ont des cons- tantes de temps très grandes. Le document "TARDIS : Time and Remanence Decay in SRAM to implement Secure Protocols on Embedded Devices without Clocks" (Rahmati et al. (2012) décrit un chronomètre fonctionnant sans courant. Une mémoire SRAM se compose de plusieurs cellules SRAM. Une cellule SRAM est une mémoire ayant une capacité de 1 bit prenant la valeur 1 ou la valeur 0. L'enregistrement se fait par une quantité de charge emmagasinée dans une capacité entre deux composants inverseurs l'un derrière l'autre. Sans l'alimentation en énergie, la capacité se décharge lentement par effet de tunnel. Pour mesurer le temps, on met initiale- ment un certain nombre de cellules SRAM à l'état 1 et ensuite on coupe l'alimentation en énergie. On détermine la perte de données de la mémoire SRAM lorsque l'alimentation en énergie est coupée. Pour cela on compte tout d'abord les cellules SRAM qui ont été mises initialement à l'état 1 et qui, lorsqu'on rebranche l'alimentation sont à l'état 0. A partir du rapport du nombre de cellules SRAM qui ont été mises initialement à l'état 1 et des cellules SRAM comptées lorsqu'on rebranche l'alimentation et qui ont, elles aussi, un état 0, on détermine la durée pendant laquelle l'alimentation a été coupée. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un chronomètre comportant un dispositif dont l'état varie dans le temps et une unité d'exploitation dans laquelle est enregistré un état de référence, ce chronomètre étant caractérisé en ce que le dispositif a une structure dont la résistance électrique varie dans le temps et, l'unité d'exploitation déter- 3041442 2 mine la durée par comparaison à une valeur représentant la résistance électrique de la structure à l'état de référence. Le chronomètre selon l'invention a pour avantage de fonctionner sans être alimenté car il enregistre les durées au cours des- 5 quelles l'alimentation a été coupée. Pour cela, le chronomètre comporte, comme déjà indiqué ci-dessus, un dispositif dont l'état varie dans le temps et une unité d'exploitation contenant un état de référence. Le dispositif a une structure dont la résistance électrique varie dans le temps et l'unité 10 d'exploitation détermine la durée en comparant à un état de référence une valeur représentant la résistance électrique de la structure, par exemple la tension électrique ou l'intensité du courant. Selon le développement avantageux, le chronomètre selon l'invention a une longueur et sur cette longueur il a au moins une pre- ss mière prise reliée à l'unité d'exploitation. Cela permet une mesure dis- crète du temps. Un avantage est qu'ainsi on peut régler les étapes de temps du chronomètre et implémenter la mesure du temps discrète, de façon plus simple qu'une mesure de temps continue dans l'unité d'exploitation. 20 Selon un développement avantageux, la structure a une forme de méandres de sorte qu'on peut l'installer de façon économe en surface sur un support, par exemple une puce. En particulier, on réalise la structure en un matériau dé- générant. La dégénération de la structure modifie sa résistance élec- 25 trique qui est une mesure de la durée. Comme la dégénération de la structure se fait sans alimentation en énergie, le chronomètre selon l'invention enregistre les durées au cours desquelles l'alimentation en énergie a été coupée. Un avantage de cette solution est que la mesure du temps progresse pendant l'interruption de l'alimentation en énergie, 30 ce qui augmente la sécurité de systèmes nécessitant une mesure de temps stable très largement indépendante de l'alimentation en énergie. Selon un développement, la dégénération et la variation correspondantes de la résistance électrique de la structure sont liées à un procédé chimique. De façon avantageuse, le procédé chimique se 35 poursuit indépendamment après avoir démarré de sorte qu'il ne néces- 3041442 3 site pas de moyens auxiliaires complémentaires comme par exemple une alimentation en énergie qui serait nécessaire pour la dégénération de la structure. En particulier, le procédé chimique est une réaction 5 d'oxydation. En fonction de la matière dans laquelle est réalisée la structure, on aura une réaction d'oxydation si la structure est simplement exposée à l'air ambiant ce qui a l'avantage de ne pas nécessiter de réactif supplémentaire pour le procédé chimique. Selon un développement avantageux, le dispositif du 10 chronomètre selon l'invention a une seconde structure dont la résis- tance électrique varie dans le temps et la seconde structure a un second coefficient de température différent du premier coefficient de température et l'unité d'exploitation détermine la résistance électrique de la structure et celle de la seconde résistance électrique, de la seconde 15 structure et l'unité d'exploitation détermine la durée en tenant compte du premier coefficient de température et du second coefficient de température. La dégénération de la structure et ainsi la variation dans le temps de la résistance électrique dépendent de la vitesse de réaction du procédé qui provoque la dégénération de la structure. Le premier coeffi- 20 cient de température est le coefficient de température de la vitesse de réaction. Il s'agit d'une mesure indiquant la rapidité de la dégénération de la structure. Le second coefficient de température est un coefficient de température différent du premier coefficient de température pour la vitesse de réaction et qui est une mesure de la vitesse selon laquelle se 25 fait dégénération de la seconde structure. La vitesse de réaction indique combien de particules par unité de temps sont transformées dans la réaction chimique. De façon générale, la vitesse de réaction dépend de la température. Cette dépendance est décrite par le coefficient de température de la vitesse de réaction. Le coefficient de température de la 30 vitesse de réaction influence de façon déterminante le déroulement de la réaction chimique. La dégénération de la structure en dépend et par conséquence, la variation de la résistance chimique dépend de la température de sorte qu'une température modifiée conduit à un défaut de la mesure de temps. Dans cette forme de réalisation, le dispositif com- 35 porte une seconde structure avec le second coefficient de température. 3041442 4 En tenant compte des deux structures, on a l'avantage de mesurer la durée indépendamment de la température, c'est-à-dire que l'on a en quelque sorte une compensation de la température. Dessins 5 La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide de chronomètres représentés dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments portent les mêmes références dans les différentes figures. Ainsi : 10 la figure 1 est un schéma par blocs du chronomètre selon l'invention, la figure 2a est une vue de dessus d'une structure dont la résistance électrique varie dans le temps, ayant une première prise et une seconde prise installées en position équidistante sur la struc- 15 ture et reliées à une unité d'exploitation, la figure 2b est une vue de dessus d'une structure dont la résistance électrique varie dans le temps, ayant une première prise et une seconde prise ainsi que d'autres prises écartées différemment sur la structure et reliées à une unité d'exploitation, 20 la figure 3 est une vue de dessus d'une structure en forme de méandres dont la résistance électrique varie dans le temps, ayant une première prise et une seconde prise reliées à une unité d'exploitation et, la figure 4 est un schéma par blocs d'un chronomètre selon 25 l'invention avec compensation de température, comportant une première structure et une seconde structure. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un schéma par blocs du chronomètre selon l'invention. La durée (t) décrit le temps écoulé entre un instant 30 initial et un instant final. Partant d'un instant initial connu, enregistré dans une mémoire de l'unité d'exploitation 2, par exemple sous la forme du temps de l'horloge, on peut obtenir l'instant final à partir de la durée (t) ainsi déterminée, cet instant final étant par exemple le temps. Le chronomètre 8 selon l'invention se compose d'un dispositif 1 qui a une 35 structure 4 en une matière dégénérant dont l'état varie en fonction du 3041442 5 temps et une unité d'exploitation 2. L'état de la structure 4 qui varie dans le temps est la résistance électrique de la structure 4. L'état de référence 3 est enregistré dans l'unité d'exploitation 2. L'état de référence 3 est la valeur de la résistance électrique de la structure 4, enre- 5 gistrée à l'instant initial. La variation de la résistance électrique de la structure 4 du fait de la dégénération est une mesure du temps passé. Une mesure de calibrage qui traduit la relation entre la résistance électrique de la structure 4 et le temps écoulé est enregistrée comme courbe caractéristique dans l'unité d'exploitation 2. A partir de la différence 10 entre la résistance électrique de la structure 4 et la résistance électrique enregistrée dans l'état de référence 3, en utilisant la courbe caractéristique enregistrée dans l'unité d'exploitation 2 on obtient le temps (t). Si on ajoute le temps (t) à l'instant initial qui est, par exemple donné par le temps de l'horloge, on aura alors l'instant final sous la forme d'un 15 temps d'horloge. Mesurer la résistance électrique de la structure globale 4 montre que la valeur de la résistance électrique de la structure 4 varie en continu en fonction du temps. Les valeurs de la résistance électrique sont associées par la courbe caractéristique, au temps dans l'unité 20 d'exploitation 2. La dégénération de la structure 4 se traduit à la fois régulièrement sur l'ensemble de la structure 4 et aussi dans le temps sur la structure 4. La figure 2a montre le chronomètre 8 selon l'invention qui détermine de façon discrète la durée ou temps t. La structure 4 25 s'étend parallèlement à l'axe x. Cette extension parallèle à l'axe x carac- térise la longueur de la structure 4. La largeur de la structure 4 est donnée par l'extension parallèle à l'axe y. Dans cet exemple de réalisation, la largeur de la structure 4 est inférieure à la longueur de la structure 4. La structure 4 a une première prise 5. A une certaine distance 30 de la première prise 5 suivant la longueur on a une seconde prise 6. Les deux prises sont reliées à l'unité d'exploitation 2. Dans cet exemple de réalisation, la distance entre la première prise 5 et la première extrémité 10 la plus proche dans la direction x est égale à la distance entre la seconde prise 6 et la seconde extrémité 11 de la structure 4 proche dans 35 la direction x ainsi que la distance entre les prises 5 et 6 qui sont 3041442 6 égales. Les deux prises 5, 6 divisent la longueur de la structure 4 en trois segments égaux 4a, 4b, 4c, à savoir le premier segment 4a, le second segment 4b et le troisième segment 4c. La résistance électrique de la structure 4 varie dans le 5 temps. Elle se détermine par exemple, par une mesure de tension et une mesure de courant. Le courant électrique et la tension électrique sont reliés par la résistance électrique. Ainsi, pour déterminer la résistance électrique on applique une intensité ou une tension connues à la résistance et on mesure la tension électrique résultante aux bornes de 10 la résistance électrique ou encore l'intensité du courant traversant la résistance électrique. La structure 4 du chronomètre 8 selon l'invention est réalisée en un matériau dégénérant. Il s'agit par exemple, d'un métal tel que du silicium, lithium. Comme l'oxydation se produit principalement 15 à la surface, on peut optimiser le rapport entre le volume et la surface par différentes étapes d'usinage. Par exemple, on amincit ainsi ou on réalise une couche poreuse pour améliorer le rapport entre le volume et la surface. La dégénération résulte notamment du procédé chimique comme par exemple l'oxydation. Selon un développement, la première 20 extrémité 10 de la structure 4 constitue un centre de développement à partir duquel la structure 4 dégénère dans le temps selon la longueur, par exemple, par l'effet d'un procédé chimique. La dégénérescence mesurée dans le temps se fait d'abord sur le premier segment 4a puis sur le second segment 4b, ensuite sur le troisième segment 4c. A l'instant 25 initial, on détermine la résistance électrique de l'ensemble de la struc- ture 4 en mesurant, d'une part, la tension électrique entre la première extrémité 10 et la masse et d'autre part, entre la première prise 5 et la masse et entre la seconde prise et la masse. Ces tensions électriques mesurées à l'instant initial sont enregistrées comme constituant l'état 30 de référence 3. La masse est le potentiel de référence commun par rapport auquel on mesure les tensions électriques. Dans le présent exemple de réalisation, la seconde extrémité 11 de la structure 4 est reliée à la masse. Pour déterminer la durée (t) on mesure à l'instant final 35 la tension électrique entre la première extrémité 10 et la masse, entre la 3041442 7 première prise 5 et la masse et aussi entre la seconde prise 6 et la masse. Avec la mesure de la tension et la mesure indirecte de la résistance électrique de chaque segment 4a, 4b, 4c, l'unité d'exploitation 2 détermine l'état de chaque segment 4a, 4b, 4c. Les deux états possibles 5 d'un segment 4a, 4b, 4c sont, l'état dégénéré ou l'état non dégénéré. Pour faire cette division, on fixe un seuil pour la résistance électrique que l'on règle pour définir le degré, par exemple, le degré de dégénération du segment 4a ou 4b ou 4c. En connaissant la vitesse de réaction de la dégénération, on associe le progrès de la dégénération suivant la 10 longueur de la structure 4 au temps écoulé depuis l'instant initial. Si, par exemple, seulement le premier segment 4 est dégénéré et que le seuil est dépassé, cela indique que la tension électrique à cet instant entre la première extrémité 10 et la masse, pour une même intensité du courant électrique donne une valeur modifiée. La résistance électrique 15 de la structure 4 varie en effet par la dégénération. La tension électrique sur la première prise 5 et celle sur la seconde prise 6 correspondent aux tensions électriques mesurées à l'instant initial sur les prises 5 et 6 si le courant électrique appliqué n'est pas modifié. Or, la résistance électrique 4b, 4c n'a pas encore changé du fait de la dégénération dans le 20 temps de la structure 4. Avec le seuil, on constate que le premier seg- ment 4a a son état dégénéré et les autres segments 4b et 4c ne sont pas encore dans un état dégénéré. L'unité d'exploitation 2 contient une courbe caractéristique de cet exemple de réalisation. Cette courbe décrit la relation entre le nombre de segments dégénérés 4a, 4b et 4c et le 25 temps écoulé. A partir du nombre de segments 4a, 4b et 4c et de la ré- solution du convertisseur, on obtient la résolution de la division du temps. Dans ce dispositif, la dégénération complète nécessite dix ans, ce qui permet pour une installation de mesure ayant une résolution de 16 bits, d'avoir une résolution de l'ordre de 1,3 heure. En utilisant 256 30 segments tout en conservant la résolution du transducteur, on arrive ainsi à environ dix huit secondes avec le nombre choisi de prises 5, 6, des dimensions de la structure 4 et de la distance entre les prises 5, 6, on règle la finesse discrète de la mesure de temps. Un intervalle de temps de la mesure de temps discrète est donnée par le temps néces- 35 saire à l'un des segments 4a, 4b, 4c pour passer dans un état dégénéré. 3041442 8 L'imprécision de la mesure du temps est liée d'une part au temps pendant lequel le segment 4a, 4b, 4c n'est pas dégénéré avant d'atteindre le seuil. D'autre part, cela dépend du temps nécessaire au segment 4a, 4b, 4c d'atteindre le seuil et d'arriver ainsi à l'état de dégénération totale. 5 La figure 2b montre un chronomètre 8 selon l'invention décrit à la figure 2a. Seuls les positionnements de la première prise 5, de la seconde prise 6 et des autres prises 7 sur la structure 4 et le nombre de prises diffèrent de la figure 2a. Dans cet exemple de réalisation on a en tout cinq prises 5, 6, 7 sur la structure ; trois des prises 10 constituent les autres prises 7. Les prises 5, 6, 7 de cet exemple de réa- lisation ne sont pas réparties de manière équidistante. Lorsque l'on se rapproche de la seconde extrémité 11, les autres prises 7 sont de plus en plus rapprochées. Dans la mesure où la dégénération progresse de façon linéaire avec le temps, cela permet ainsi de réaliser des intervalles 15 de temps plus petits à long terme qu'à court terme. Si la dégénération ne se développe pas de façon linéaire en fonction du temps le long de la structure 4, on réalise des intervalles de temps de même dimension. La figure 3 montre un chronomètre 8 selon l'invention dont la structure 4 est en forme de méandres et qui est ainsi encom- 20 brant. La structure en forme de méandres comporte une première prise 5 et une seconde prise 6 comme cela a été décrit à la figure 2a et à la figure 2b pour une mesure discrète de temps. Dans ce cas, la première prise se trouve dans la première courbe après la première extrémité 10. La structure 4 développe une autre courbe. La courbe suivante com- 25 porte la seconde prise 6. En variante, on peut également avoir une me- sure de temps continue comme cela a été décrit en relation avec la figure 1. Dans ce cas, on ne prévoit pas l'installation de la première prise 5, ni la seconde prise 6 ni des autres prises 7. La figure 4 montre un chronomètre 8 selon l'invention 30 comportant la structure 4 et une seconde structure 9 dont la résistance électrique varie dans le temps. La résistance électrique variable dans le temps de la seconde structure 9 est appelée ci-après seconde résistance électrique. La seconde structure 9 est réalisée en une matière qui dégénère ; il s'agit notamment d'une forme de réalisation analogue à celle de 35 la structure 4 dans les figures 2a, 2b ou 3. La seconde structure 9 a un 3041442 9 second coefficient de température qui diffère du premier coefficient de température de la structure 4. De façon générale, la vitesse de réaction de la dégénération des structures 4, 9, en fonction du temps dépend de la température. Cette dépendance est décrite par le coefficient de tem- 5 pérature respectif ou par l'énergie d'activation EA. La vitesse de dégéné- ration est proportionnelle à La durée (t) est compensée en température et se calcule ainsi à partir de la dégénération de deux structures en ce que l'on divise 10 différence de la dégénération des deux structures par le rapport des deux. Pour augmenter la précision de la mesure, on peut ajouter d'autres structures ayant des coefficients de température différents pour compenser la température. Le chronomètre 8 selon l'invention s'applique au domaine 15 de la technique de sécurité. Le chronomètre 8 selon l'invention s'installe sur une puce et est par exemple intégré dans le module TPM ou puce TPM d'un ordinateur ou d'un appareil analogue. La dégénération de la structure 4, 9 est irréversible et permet ainsi, par exemple un contrôle plus sûr de la date de défaillance du certificat de cryptage d'un module 20 TPM. 3041442 t 10 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX Durée 1 Dispositif comportant une structure en une matière qui 5 dégénère 2 Unité d'exploitation 3 Etat de référence 4 Structure 4a, 4b, 4c Segments de la structure 4 10 5 Première prise 6 Seconde prise 7 Autre prise 8 Chronomètre 10 Première extrémité 15 11 Seconde extrémité 20 REVENDICATIONS1°) Chronomètre (8) comportant un dispositif (1) dont l'état varie dans le temps et une unité d'exploitation (2) dans laquelle est enregistré un état de référence (3), chronomètre caractérisé en ce que le dispositif (1) a une structure (4) dont la résistance électrique varie dans le temps et, l'unité d'exploitation (2) détermine la durée (t) par comparaison à une valeur représentant la résistance électrique de la structure (4) à l'état de référence (3). 2°) Chronomètre (8) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (4) a une longueur et le long de laquelle est installée au moins une première prise (5) reliée à l'unité d'exploitation (2). 3°) Chronomètre (8) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la structure (4) a une forme de méandres. 4°) Chronomètre (8) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure (4) est en un matériel dégénérant. 5°) Chronomètre (8) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la résistance électrique de la structure (4) varie selon un procédé chimique. 6°) Chronomètre (8) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé chimique est une réaction d'oxydation. 7°) Chronomètre (8) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que 3041442 12 - le dispositif (1) a une seconde structure (9) dont la résistance électrique varie dans le temps et qui a un second coefficient de température différent du premier coefficient de température de la structure (4), 5 - l'unité d'exploitation (2) détermine la résistance électrique de la structure (4) et la seconde résistance électrique de la seconde structure (9), et - l'unité d'exploitation (2) détermine la durée (t) en tenant compte du premier coefficient de température et du second coefficient de 10 température. 8°) Procédé pour déterminer une durée (t) avec un chronomètre (8) selon l'une des revendications 1 à 7, comportant un dispositif (1) dont l'état varie dans le temps et une unité d'exploitation (2) dans laquelle est en- 15 registré un état de référence (3), le dispositif (1) ayant une structure (4) dont la résistance électrique varie dans le temps et, l'unité d'exploitation (2) déterminant la durée (t) par comparaison à une valeur représentant la résistance électrique de la structure (4) à 20 l'état de référence (3).