Fully Integrated Biochip Platforms for Advanced Healthcare

Recent advances in microelectronics and biosensors are enabling developments of innovative biochips for advanced healthcare by providing fully integrated platforms for continuous monitoring of a large set of human disease biomarkers. Continuous monitoring of several human metabolites can be addressed by using fully integrated and minimally invasive devices located in the sub-cutis, typically in the peritoneal region. This extends the techniques of continuous monitoring of glucose currently being pursued with diabetic patients. However, several issues have to be considered in order to succeed in developing fully integrated and minimally invasive implantable devices. These innovative devices require a high-degree of integration, minimal invasive surgery, long-term biocompatibility, security and privacy in data transmission, high reliability, high reproducibility, high specificity, low detection limit and high sensitivity. Recent advances in the field have already proposed possible solutions for several of these issues. The aim of the present paper is to present a broad spectrum of recent results and to propose future directions of development in order to obtain fully implantable systems for the continuous monitoring of the human metabolism in advanced healthcare applications

Configurable 3D-integrated focal-plane sensor-processor array architecture

A mixed-signal Cellular Visual Microprocessor architecture with digital processors is described. An ASIC implementation is also demonstrated. The architecture is composed of a regular sensor readout circuit array, prepared for 3D face-to-face type integration, and one or several cascaded array of mainly identical (SIMD) processing elements. The individual array elements derived from the same general HDL description and could be of different in size, aspect ratio, and computing resources

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

Discrete-Time Mixing Receiver Architecture for RF-Sampling Software-Defined Radio

A discrete-time (DT) mixing architecture for RF-sampling receivers is presented. This architecture makes RF sampling more suitable for software-defined radio (SDR) as it achieves wideband quadrature demodulation and wideband harmonic rejection. The paper consists of two parts. In the first part, different downconversion techniques are classified and compared, leading to the definition of a DT mixing concept. The suitability of CT-mixing and RF-sampling receivers to SDR is also discussed. In the second part, we elaborate the DT-mixing architecture, which can be realized by de-multiplexing. Simulation shows a wideband 90° phase shift between I and Q outputs without systematic channel bandwidth limitation. Oversampling and harmonic rejection relaxes RF pre-filtering and reduces noise and interference folding. A proof-of-concept DT-mixing downconverter has been built in 65 nm CMOS, for 0.2 to 0.9 GHz RF band employing 8-times oversampling. It can reject 2nd to 6th harmonics by 40 dB typically and without systematic channel bandwidth limitation. Without an LNA, it achieves a gain of -0.5 to 2.5 dB, a DSB noise figure of 18 to 20 dB, an IIP3 = +10 dBm, and an IIP2 = +53 dBm, while consuming less than 19 mW including multiphase clock generation

Sub-Nyquist Sampling: Bridging Theory and Practice

Sampling theory encompasses all aspects related to the conversion of continuous-time signals to discrete streams of numbers. The famous Shannon-Nyquist theorem has become a landmark in the development of digital signal processing. In modern applications, an increasingly number of functions is being pushed forward to sophisticated software algorithms, leaving only those delicate finely-tuned tasks for the circuit level. In this paper, we review sampling strategies which target reduction of the ADC rate below Nyquist. Our survey covers classic works from the early 50's of the previous century through recent publications from the past several years. The prime focus is bridging theory and practice, that is to pinpoint the potential of sub-Nyquist strategies to emerge from the math to the hardware. In that spirit, we integrate contemporary theoretical viewpoints, which study signal modeling in a union of subspaces, together with a taste of practical aspects, namely how the avant-garde modalities boil down to concrete signal processing systems. Our hope is that this presentation style will attract the interest of both researchers and engineers in the hope of promoting the sub-Nyquist premise into practical applications, and encouraging further research into this exciting new frontier.Comment: 48 pages, 18 figures, to appear in IEEE Signal Processing Magazin