L’injection de fautes laser (LFI) est l’attaque la plus exigeante techniquement dans l’arsenal des chercheurs en sécurité matérielle. Elle consiste à diriger un faisceau laser infrarouge très précis sur la puce silicium exposée d’un composant, afin de provoquer le dysfonctionnement d’un transistor donné à un instant précis lors d’une opération spécifique. Si elle réussit, cette technique peut extraire des clés secrètes de puces conçues pour empêcher toute extraction.
Plusieurs cas documentés publiquement montrent que cette technique a effectivement été appliquée à des puces sécurisées dédiées, utilisées dans les hardware wallets et les tokens d’authentification, pour protéger des secrets cryptographiques.
Cet article examine de près certains cas concrets et explique pourquoi la LFI ne représente pas une menace significative pour la plupart des utilisateurs de hardware wallets.
L’injection de fautes laser prouve que des éléments sécurisés certifiés peuvent être compromis en laboratoire. Elle démontre aussi que cela nécessite six barrières opérationnelles distinctes, impossibles à supprimer, à compresser ou à automatiser.
En quoi consiste l’injection de fautes laser ?
Avant d’aborder des exemples concrets, clarifions ce qu’est la LFI et comment elle fonctionne.
L’effet photoélectrique
Les transistors des semi-conducteurs sont photosensibles. Lorsque des photons issus d’une source laser frappent un transistor sur le silicium d’une puce, ils génèrent des paires électron-trou, un phénomène appelé effet photoélectrique au niveau du semi-conducteur.
Une injection temporaire de porteurs de charge peut modifier l’état d’un transistor. Cela signifie qu’un transistor censé rester éteint peut brièvement s’allumer, ou qu’un transistor censé conserver sa valeur peut changer. Si cela survient sur le bon transistor, au bon moment, pendant la bonne instruction, cela peut amener la puce à fonctionner de manière erronée mais contrôlée.
Les transistors des puces de sécurité modernes se mesurent en nanomètres, donc le point laser doit être focalisé à quelques microns pour cibler une zone fonctionnelle précise sans déclencher les contre-mesures voisines. Le timing doit aussi être précis à la nanoseconde, et l’énergie du laser calibrée pour provoquer une faute contrôlée sans détruire définitivement le circuit.
Quelles étapes avant de tirer au laser ?
La préparation physique du dispositif comporte plusieurs étapes, chacune pouvant échouer :
Retrait des composants : la puce doit être dessoudée de la carte électronique sans l’endommager. Cela nécessite une station à air chaud et une grande précision. Une puce abîmée lors du retrait ne pourra pas être attaquée.
Décapsulation du boîtier : l’enveloppe plastique de la puce doit être retirée pour exposer le silicium. La méthode standard est la décapsulation chimique à l’acide nitrique fumant, substance très corrosive nécessitant une hotte et une formation adaptée. L’alternative consiste à fraiser mécaniquement avec un outil de précision, au risque de rayer la puce. Quelle que soit la méthode, la puce est définitivement modifiée et ne présente plus de boîtier visible.
Montage : le silicium exposé doit être installé sur une carte d’attaque sur mesure qui fournit l’alimentation, la masse et les communications, tout en laissant la surface accessible au laser. Cette carte doit être conçue spécifiquement pour le brochage et les besoins électriques de la puce cible.
Cartographie du silicium : avant toute injection de faute, il faut identifier où viser le laser sur la puce. Cela nécessite une microscopie infrarouge pour produire une carte photographique de la surface, associée à une connaissance des blocs fonctionnels (mémoire, logique d’authentification, moteur AES, etc.). Pour une puce sans photo publiée, cette cartographie doit être réalisée entièrement de l’extérieur.
Le problème de l’espace des paramètres
Même après préparation et cartographie, une attaque LFI exige de trouver la bonne combinaison de trois paramètres indépendants :
Les coordonnées du point laser sur la puce (position X et Y),
Le timing de l’impulsion par rapport au fonctionnement de la puce (en nanosecondes)
L’énergie du laser (durée et puissance de l’impulsion).
Chacun de ces paramètres couvre une large plage de valeurs possibles. Pour trouver la combinaison qui provoque une faute exploitable (et non un simple crash, aucun effet ou une destruction irréversible), il faut explorer systématiquement l’espace des paramètres.
Les cas documentés dans cet article ont nécessité des semaines de recherche active sur les paramètres avant d’obtenir une injection de faute réussie.
À quoi ressemble une LFI réussie et quels sont les coûts d’échec ?
Une injection de faute réussie produit l’un des dysfonctionnements contrôlés suivants :
Un contrôle de sécurité renvoie un résultat erroné,
Une zone mémoire protégée devient accessible
Une étape d’authentification est contournée.
Un échec d’injection conduit à l’un de ces trois résultats :
La puce continue de fonctionner normalement (aucun effet),
La puce plante et doit être réinitialisée (perte de tout progrès),
La puce est irréversiblement endommagée et l’attaque doit recommencer sur un nouvel exemplaire.
La destruction définitive de la puce lors d’une attaque n’est pas rare. Dans les travaux du Ledger Donjon sur la série ATECC, les chercheurs ont explicitement signalé une perte importante de puces lors de l’exploration des paramètres. Chaque puce détruite représente une tentative d’attaque ratée, nécessitant une nouvelle puce de remplacement ou un nouvel appareil cible.
Cas 1 : Microchip ATAES132A — Fraunhofer AISEC
[ INJECTION DE FAUTES LASER · FPS 2021 (Springer) · Extraction complète de clé en boîte noire ]
L’ATAES132A est une mémoire EEPROM série sécurisée à base AES de Microchip Technology, premier modèle de leur famille CryptoAuthentication AES.
La fiche technique détaille explicitement ses protections physiques :
Détecteurs d’effraction pour la tension, la température, la fréquence et la lumière ;
Bouclier métallique actif sur le circuit ; chiffrement interne de la mémoire ;
Contre-mesures additionnelles non spécifiées.
Elle n’est pas certifiée CC. Sa sécurité repose sur une conception propriétaire décrite dans sa fiche technique et sur un firmware ROM inaccessible à l’examen externe.
Recherche
Les chercheurs du Fraunhofer AISEC (Bjoern Selmke, Endres Strieder, Johann Heyszl, Stefan Freud et Thomas Damm) ont publié leurs résultats lors de FPS 2021 (Foundations and Practice of Security), avec l’article complet dans la série Lecture Notes in Computer Science de Springer en 2022.
L’objectif principal du projet était de définir une méthode claire pour tester la sécurité de puces dont l’intérieur n’est pas accessible, via l’injection de fautes laser en boîte noire. La puce ATAES132A a été choisie comme exemple pertinent de dispositifs utilisés pour protéger des informations dans des applications réelles.
Méthodologie d’attaque
Les chercheurs n’avaient accès ni au code source de la puce, ni à sa documentation technique, ni à des photos internes. Ils ont commencé par une analyse de photoémission, méthode qui capture la faible lumière émise par les transistors lors de leur commutation.
En prenant des images de la puce lors d’opérations précises, ils ont pu repérer les zones actives lors de certaines commandes, créant ainsi une carte fonctionnelle sans connaître le schéma du circuit.
Grâce à cette carte, ils ont identifié des régions candidates pour l’injection de fautes, c’est-à-dire les zones susceptibles de contenir la logique critique à perturber. Ils ont ensuite mené la recherche de paramètres : variation systématique de la position du laser, du timing, de la durée et de l’énergie de l’impulsion sur les régions ciblées, tout en envoyant des commandes d’authentification à la puce.
La cible était le mécanisme de contrôle d’accès de la puce, qui empêche la lecture non autorisée des zones utilisateur protégées. Le but de l’attaque était de forcer ce contrôle à renvoyer un résultat positif sans que l’attaquant ait présenté d’identifiant valide, permettant ainsi d’accéder directement au contenu d’une zone protégée.
L’attaque a réussi. Les chercheurs ont démontré l’extraction complète de la clé secrète d’une zone utilisateur protégée via LFI, sans connaissance préalable de l’identifiant d’authentification.
Cas 2 : Microchip ATECC508A et ATECC608A
[ INJECTION DE FAUTES LASER · Ledger Donjon · SSTIC 2020 / SSTIC 2021 · Black Hat USA 2020 ]
Le Microchip ATECC508A est un élément sécurisé utilisé dans de nombreuses applications IoT et de sécurité embarquée, notamment dans le hardware wallet Coldcard Mk2 pour Bitcoin.
Bien qu’il soit conçu pour répondre à des normes de sécurité élevées (FIPS 186-3 et générateur de nombres aléatoires FIPS), l’ATECC508A n’est pas certifié CC.
L’attaque sur l’ATECC508A en 2020
La cible était le mécanisme d’authentification du slot de données de l’ATECC508A. Lorsque le Coldcard Mk2 stocke la seed, elle est placée dans un slot configuré comme secret, lisible uniquement après authentification. Celle-ci exige la présentation du bon hash PIN. L’idée est que même avec un accès physique à la puce, il est impossible de lire le slot sans le PIN.
En tirant le laser sur une région précisément identifiée de la puce au moment où la vérification d’accès était effectuée, les chercheurs ont forcé la vérification à réussir, que l’authentification ait eu lieu ou non.
Préparation physique requise : dessouder l’ATECC508A du PCB du wallet, fraiser le boîtier plastique par l’arrière, puis le monter sur une carte d’attaque. Un microscope infrarouge a permis de cartographier la puce et d’identifier la zone cible.
Coût de l’équipement : l’installation LFI utilisée par Ledger Donjon coûte environ 200 000 $, sans compter les techniciens spécialisés nécessaires au montage et au développement de l’attaque.
Le processus d’attaque est destructif : le boîtier de la puce est définitivement retiré et elle ne peut pas être réutilisée.
6 raisons pour lesquelles les attaques LFI ne se généralisent pas
Six barrières empêchent cette attaque de laboratoire de représenter une menace réelle pour les utilisateurs de hardware wallets, quel que soit le niveau de compétence ou le budget de l’attaquant.
Barrière
Ce que requiert la LFI
Pourquoi cela empêche une attaque de masse
Accès physique
La puce doit être dessoudée, décapsulée et montée sur un support d’attaque sur mesure. L’appareil est définitivement modifié.
Chaque cible nécessite une manipulation individuelle. L’attaque ne peut pas être menée à distance.
Décapsulation de la puce
Retrait chimique ou mécanique du boîtier plastique pour exposer le silicium. Nécessite de l’acide nitrique fumant ou un équipement de fraisage de précision.
Irréversible. L’appareil ne peut pas être remis en service sans que cela soit détecté.
Cela limite l’attaque aux scénarios où le vol physique de l’appareil est déjà accepté.
Équipement lourd
Source laser infrarouge, platine XY de précision ou microscope, oscilloscope, carte d’attaque sur mesure, installation d’analyse de photoémission : minimum 100 000–200 000 $.
Les coûts d’équipement ne peuvent pas être amortis sur plusieurs cibles comme le permet un logiciel ou une infrastructure.
Chaque puce nécessite aussi un réglage de paramètres spécifique.
Temps de recherche des paramètres
Identifier l’emplacement précis, le timing, l’énergie et la durée de l’impulsion demande une exploration approfondie de l’espace des paramètres : plusieurs jours à semaines par famille de puces.
Le temps nécessaire par cible est élevé et difficilement compressible. Les recherches antérieures aident, mais chaque variante de puce nécessite un nouvel étalonnage.
Expertise spécialisée
Connaissances approfondies en physique des semi-conducteurs, théorie de l’injection de fautes, analyse de signaux, analyse de circuits et systèmes embarqués : une combinaison rare, difficile à recruter.
Le nombre de personnes capables de mener ces attaques est faible, connu de la communauté scientifique, et non accessible à l’échelle du marché criminel.
Retour incertain
Le succès n’est pas garanti. L’injection de fautes a un taux d’échec non négligeable. Les puces peuvent être détruites sans résultat exploitable.
Le rendement attendu par tentative est réduit par la probabilité d’échec. Pour des montants moyens, le calcul n’est pas rentable.
Les six barrières agissent ensemble et se multiplient, plutôt que de simplement s’additionner. Un attaquant doit donc toutes les franchir simultanément, ce qui renforce considérablement la sécurité.
Le vrai rôle de la recherche sur la LFI
Publier une attaque réussie contre une puce contribue à la sécurité de deux façons : d’abord, cela pousse les fabricants à renforcer les contre-mesures dans les versions suivantes du silicium.
Ensuite, la publication des méthodologies d’attaque définit le niveau minimal que doit être capable d’atteindre un adversaire bien équipé, et donc ce que les concepteurs de puces doivent anticiper.
Conclusions
À retenir pour un utilisateur de hardware wallet :
La LFI est une attaque réelle et efficace. Des chercheurs ont déjà compromis des puces sécurisées par ce biais. En pratique, il faudrait d’abord voler physiquement votre appareil.
Dès que l’attaque commence, votre appareil est détruit de façon visible et irréversible. Vous sauriez qu’il a été altéré.
L’équipement coûte au minimum 100 000 à 200 000 $. Ce n’est pas à la portée d’un voleur opportuniste. Il faut aussi plusieurs semaines de travail en laboratoire par puce. Cela ne permet pas d’attaquer massivement de nombreux utilisateurs.
L’attaque peut échouer et détruire la puce sans aucun résultat, ce qui en fait un pari risqué même pour l’attaquant.
Si vous êtes un utilisateur lambda, l’économie de l’attaque ne joue pas en faveur de l’attaquant. Les vraies menaces restent le phishing, les malwares et l’exposition de la phrase de récupération, pas un laboratoire laser populaire.
Auteurs : Bjoern Selmke, Endres Strieder, Johann Heyszl, Stefan Freud, Thomas Damm
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