Formale Verifikationsmethodiken für nichtlineare analoge Schaltungen

The objective of this thesis is to develop new methodologies for formal verification of nonlinear analog circuits. Therefore, new approaches to discrete modeling of analog circuits, specification of analog circuit properties and formal verification algorithms are introduced. Formal approaches to verification of analog circuits are not yet introduced into industrial design flows and still subject to research. Formal verification proves specification conformance for all possible input conditions and all possible internal states of a circuit. Automatically proving that a model of the circuit satisfies a declarative machine-readable property specification is referred to as model checking. Equivalence checking proves the equivalence of two circuit implementations. Starting from the state of the art in modeling analog circuits for simulation-based verification, discrete modeling of analog circuits for state space-based formal verification methodologies is motivated in this thesis. In order to improve the discrete modeling of analog circuits, a new trajectory-directed partitioning algorithm was developed in the scope of this thesis. This new approach determines the partitioning of the state space parallel or orthogonal to the trajectories of the state space dynamics. Therewith, a high accuracy of the successor relation is achieved in combination with a lower number of states necessary for a discrete model of equal accuracy compared to the state-of-the-art hyperbox-approach. The mapping of the partitioning to a discrete analog transition structure (DATS) enables the application of formal verification algorithms. By analyzing digital specification concepts and the existing approaches to analog property specification, the requirements for a new specification language for analog properties have been discussed in this thesis. On the one hand, it shall meet the requirements for formal specification of verification approaches applied to DATS models. On the other hand, the language syntax shall be oriented on natural language phrases. By synthesis of these requirements, the analog specification language (ASL) was developed in the scope of this thesis. The verification algorithms for model checking, that were developed in combination with ASL for application to DATS models generated with the new trajectory-directed approach, offer a significant enhancement compared to the state of the art. In order to prepare a transition of signal-based to state space-based verification methodologies, an approach to transfer transient simulation results from non-formal test bench simulation flows into a partial state space representation in form of a DATS has been developed in the scope of this thesis. As has been demonstrated by examples, the same ASL specification that was developed for formal model checking on complete discrete models could be evaluated without modifications on transient simulation waveforms. An approach to counterexample generation for the formal ASL model checking methodology offers to generate transition sequences from a defined starting state to a specification-violating state for inspection in transient simulation environments. Based on this counterexample generation, a new formal verification methodology using complete state space-covering input stimuli was developed. By conducting a transient simulation with these complete state space-covering input stimuli, the circuit adopts every state and transition that were visited during stimulus generation. An alternative formal verification methodology is given by retransferring the transient simulation responses to a DATS model and by applying the ASL verification algorithms in combination with an ASL property specification. Moreover, the complete state space-covering input stimuli can be applied to develop a formal equivalence checking methodology. Therewith, the equivalence of two implementations can be proven for every inner state of both systems by comparing the transient simulation responses to the complete-coverage stimuli of both circuits. In order to visually inspect the results of the newly introduced verification methodologies, an approach to dynamic state space visualization using multi-parallel particle simulation was developed. Due to the particles being randomly distributed over the complete state space and moving corresponding to the state space dynamics, another perspective to the system's behavior is provided that covers the state space and hence offers formal results. The prototypic implementations of the formal verification methodologies developed in the scope of this thesis have been applied to several example circuits. The acquired results for the new approaches to discrete modeling, specification and verification algorithms all demonstrate the capability of the new verification methodologies to be applied to complex circuit blocks and their properties.Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung neuer Methodiken zur formalen Verifikation nichtlinearer analoger elektronischer Schaltungen. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit entstandene neue Ansätze in den Bereichen verifikationsgerechte diskrete Modellierung analoger Schaltungen, Spezifikation analoger Schaltungseigenschaften und formale Verifikationsalgorithmen vorgestellt. Ausgehend vom Stand der Technik der Modellierung analoger Schaltungen für die simulationsbasierte Verifikation wird im Rahmen dieser Arbeit die diskrete Modellierung analoger Schaltungen für zustandsraumbasierte formale Verifikationsverfahren betrachtet. Dazu wurde ein neuer Ansatz zur diskreten Modellierung entwickelt, der die Aufteilungsstruktur anhand der Trajektorien der Vektorfelddynamik bestimmt. So wird eine hohe Genauigkeit der Nachfolgerrelation ermöglicht, woraus eine niedrigere Zahl an Zuständen für ein diskretes Modell gleicher Genauigkeit im Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik folgt. Die Abbildung der Trajektorien-gesteuerten Partitionierung auf eine diskrete analoge Transitionsstruktur (DATS) erlaubt die Anwendung von formalen Verifikationsalgorithmen. Die formale Spezifikation von Eigenschaften in ersten Ansätzen zum Model Checking analoger Schaltungen hat sich stark an den bestehenden temporallogischen Verfahren aus dem Bereich digitaler Hardware orientiert. Ausgehend von einer Analyse digitaler Spezifikationskonzepte und der bestehenden Ansätze für analoge Eigenschaften wurden Anforderungen an eine neue Spezifikationssprache in dieser Arbeit abgeleitet. Die aus diesen Anforderungen im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analoge Spezifikationssprache "Analog Specification Language" (ASL) basiert auf einer natürlichsprachlichen Kapselung temporallogischer Operationen, die mit erweiterten Algorithmen zur Transitionspfadbestimmung, Durchführung von Berechnungen auf Zustandsparametern und Oszillationsbestimmung eine hohe Ausdrucksstärke analoger Eigenschaften mit einer anwenderfreundlichen Syntax kombinieren konnte. Die zusammen mit ASL entwickelten Model Checking-Verifikationsalgorithmen zur Auswertung von ASL-Spezifikationen auf einem mit dem Trajektorien-gesteuerten Diskretisierungsverfahren erzeugten DATS-Modell bilden eine wesentliche Erweiterung zum Stand der Technik. Um einen Übergang der Verifikation von signalbasierten zu zustandsraumbasierten Methodiken zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, der die Übertragung von transienten Simulationsergebnissen aus nicht-formalen Testbench-Simulationsumgebungen in eine partielle DATS-Zustandsraumdarstellung ermöglicht. Damit kann, wie anhand von Beispielen gezeigt werden konnte, die gleiche ASL-Spezifikation für Eigenschaften eines vollständigen diskreten Modells ohne Modifikation auch auf Simulationsergebnissen ausgewertet werden. Ein für das formale ASL-basierte Model Checking entwickelter Ansatz zur Erzeugung von Gegenbeispielen für als spezifikationsverletzend identifizierte Zustandsraumgebiete erlaubt es, Transitionsfolgen von einem definierten Startzustand zu einem spezifikationsverletzenden Zustand zu ermitteln. Auf Basis dieses Gegenbeispiel-Verfahrens wurde eine neue formale Eigenschaftsverifikationsmethodik mittels vollständig den Zustandsraum einer Schaltung abdeckenden Eingangsstimuli entwickelt. Die vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli bieten noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit im Bereich des Äquivalenzvergleichs. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methodik zum formalen Äquivalenzvergleich auf Basis der vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli ersetzt die anwenderdefinierten Eingangsstimuli durch die vollständig den Zustandsraum abdeckenden. So kann die Äquivalenz für jeden möglichen Zustand der zu vergleichenden Implementierungen anhand eines automatisierten Vergleichs der Simulationsergebnisse beider Implementierungen gezeigt werden. Um die Ergebnisse der neu eingeführten formalen Verifikationsmethodiken visuell zu untersuchen wurde ein Verfahren entwickelt, das den Zustandsraum und seine Dynamik mittels eines Partikel-Simulationsansatzes visualisiert. Da die Partikel über den gesamten Zustandsraum randomisiert verteilt werden und sich dann gemäß der Vektorfelddynamik fortbewegen, kann auch hier ein Einblick in das Systemverhalten gewonnen werden, der eine weitestgehend vollständige und somit formale Repräsentation des Zustandsraums bietet. Die prototypische Implementierung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten formalen Verifikationsmethodiken wurde auf zahlreiche Beispielschaltungen angewendet. Die Ergebnisse für die neuen Ansätze zur diskreten Modellierung, zur Spezifikation und zu Verifikationsalgorithmen analoger Schaltungen zeigen, dass die aus diesen Ansätzen erzeugten Verifikationsmethodiken erfolgreich auf komplexe Zustandsraumstrukturen angewendet werden können

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Beyond Moore's technologies: operation principles of a superconductor alternative

The predictions of Moore's law are considered by experts to be valid until 2020 giving rise to "post-Moore's" technologies afterwards. Energy efficiency is one of the major challenges in high-performance computing that should be answered. Superconductor digital technology is a promising post-Moore's alternative for the development of supercomputers. In this paper, we consider operation principles of an energy-efficient superconductor logic and memory circuits with a short retrospective review of their evolution. We analyze their shortcomings in respect to computer circuits design. Possible ways of further research are outlined.Comment: OPEN ACCES

A Physical Unclonable Function Based on Inter-Metal Layer Resistance Variations and an Evaluation of its Temperature and Voltage Stability

Keying material for encryption is stored as digital bistrings in non-volatile memory (NVM) on FPGAs and ASICs in current technologies. However, secrets stored this way are not secure against a determined adversary, who can use probing attacks to steal the secret. Physical Unclonable functions (PUFs) have emerged as an alternative. PUFs leverage random manufacturing variations as the source of entropy for generating random bitstrings, and incorporate an on-chip infrastructure for measuring and digitizing the corresponding variations in key electrical parameters, such as delay or voltage. PUFs are designed to reproduce a bitstring on demand and therefore eliminate the need for on-chip storage. In this dissertation, I propose a kind of PUF that measures resistance variations in inter-metal layers that define the power grid of the chip and evaluate its temperature and voltage stability. First, I introduce two implementations of a power grid-based PUF (PG-PUF). Then, I analyze the quality of bit strings generated without considering environmental variations from the PG-PUFs that leverage resistance variations in: 1) the power grid metal wires in 60 copies of a 90 nm chip and 2) in the power grid metal wires of 58 copies of a 65 nm chip. Next, I carry out a series of experiments in a set of 63 chips in IBM\u27s 90 nm technology at 9 TV corners, i.e., over all combination of 3 temperatures: -40oC, 25oC and 85oC and 3 voltages: nominal and +/-10% of the nominal supply voltage. The randomness, uniqueness and stability characteristics of bitstrings generated from PG-PUFs are evaluated. The stability of the PG-PUF and an on-chip voltage-to-digital (VDC) are also evaluated at 9 temperature-voltage corners. I introduce several techniques that have not been previously described, including a mechanism to eliminate voltage trends or \u27bias\u27 in the power grid voltage measurements, as well as a voltage threshold, Triple-Module-Redundancy (TMR) and majority voting scheme to identify and exclude unstable bits

VLSI Design

This book provides some recent advances in design nanometer VLSI chips. The selected topics try to present some open problems and challenges with important topics ranging from design tools, new post-silicon devices, GPU-based parallel computing, emerging 3D integration, and antenna design. The book consists of two parts, with chapters such as: VLSI design for multi-sensor smart systems on a chip, Three-dimensional integrated circuits design for thousand-core processors, Parallel symbolic analysis of large analog circuits on GPU platforms, Algorithms for CAD tools VLSI design, A multilevel memetic algorithm for large SAT-encoded problems, etc