FPGA-based solutions for secure cryptocurrency wallets and accelerated smart contract execution

Résumé

La technologie blockchain permet une gestion des données transparente et résistante à la falsification, mais elle continue de faire face à des défis majeurs en matière de sécurité et de performance. Les applications blockchain existantes reposent principalement sur des implémentations logicielles, vulnérables aux attaques par canaux auxiliaires (Side-Channel Analysis, SCA) et limitées par l’efficacité restreinte des processeurs généralistes. Cette thèse aborde ces problématiques en exploitant la technologie des Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) afin de proposer des solutions matérielles capables de renforcer la sécurité cryptographique et d’accélérer l’exécution dans la blockchain. Trois contributions matérielles principales sont présentées : un portefeuille matériel Ethereum résistant aux attaques SCA, un portefeuille matériel hybride Ethereum–Bitcoin prenant en charge les modes Hiérarchiquement Déterministe (HD) et Non Déterministe (ND), ainsi qu’une Machine Virtuelle Ethereum (EVM) accélérée par FPGA. La première contribution, EthVault, introduit la première architecture matérielle complète d’un portefeuille Ethereum HD ainsi que son implémentation sur FPGA. EthVault intègre un schéma de cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) résistant aux attaques SCA, la première réalisation matérielle de la fonction de dérivation de clé (CKD), ainsi que des implémentations optimisées de plusieurs algorithmes cryptographiques clés, notamment ECDSA, HMAC-SHA-512, PBKDF2, SECP256K1, les opérations sur points de courbes elliptiques, et l’algorithme de somme de contrôle Ethereum. L’ensemble aboutit à un portefeuille sécurisé et compact. La deuxième contribution, HardVault, présente la première architecture matérielle hybride Ethereum–Bitcoin implémentée sur FPGA. Prenant en charge les modes HD et ND, HardVault améliore l’efficacité en réutilisant des primitives cryptographiques communes aux deux blockchains, telles que RIPEMD-160, CKD et SHA-256. Cette réutilisation réduit considérablement la consommation de ressources matérielles, permettant une solution légère et économe en énergie. Une évaluation détaillée des performances énergétiques démontre en outre la supériorité de HardVault, avec des améliorations mesurables par rapport à des portefeuilles commerciaux comme le Trezor One. La troisième contribution, EVMx, propose une EVM monocœur basée sur FPGA, conçue pour décharger l’exécution des contrats intelligents des nœuds complets et archivés vers un accélérateur matériel dédié. EVMx conserve une compatibilité totale avec la sémantique et le modèle de pile de l’EVM, tout en intégrant des optimisations de performance telles que la mise en pipeline allégée, la simplification du décodage des opcodes, la gestion dynamique des cas particuliers et l’exploitation sélective du parallélisme. Les résultats expérimentaux montrent des accélérations significatives, tant pour l’exécution d’opcodes individuels que pour celle de contrats intelligents complets, comparativement aux implémentations sur CPU et FPGA antérieures. De plus, des stratégies d’intégration sont discutées afin de permettre l’adoption évolutive d’EVMx au sein des clients Ethereum existants. Dans l’ensemble, cette thèse démontre que les conceptions basées sur FPGA peuvent considérablement renforcer les écosystèmes blockchain en améliorant à la fois la sécurité (EthVault et HardVault) et les performances computationnelles (EVMx), ouvrant ainsi la voie à des déploiements plus sûrs, plus efficaces et plus pratiques.

Date	23 déc. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Pascal Giard (Directeur(-trice)) & Kaiwen Zhang (Codirecteur(-trice))