A chaotic switched-capacitor circuit for characteristic CMOS noise distributions generation

A switched-capacitor circuit is proposed for the generation of noise resembling the typical noise spectral density of MOS devices. The circuit is based on the combination of two chaotic maps, one generating 1/f noise (hopping map) and the other generating white noise (Bernoulli map). Through a programmable weighted adder stage, the contribution of each map can be controlled and, thereby, the position of the corner frequency. Behavioral models simulations were carried out to prove the correct functionality of the proposed approach.Ministerio de Economía y Competitividad TEC2016-80923-

Low power CMOS vision sensor for foreground segmentation

This thesis focuses on the design of a top-ranked algorithm for background subtraction, the Pixel Adaptive Based Segmenter (PBAS), for its mapping onto a CMOS vision sensor on the focal plane processing. The redesign of PBAS into its hardware oriented version, HO-PBAS, has led to a less number of memories per pixel, along with a simpler overall model, yet, resulting in an acceptable loss of accuracy with respect to its counterpart on CPU. This thesis features two CMOS vision sensors. The first one, HOPBAS1K, has laid out a 24 x 56 pixel array onto a miniasic chip in standard 180 nm CMOS technology. The second one, HOPBAS10K, features an array of 98 x 98 pixels in standard 180 nm CMOS technology too. The second chip fixes some issues found in the first chip, and provides good hardware and background performance metrics

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

Design of Discrete-time Chaos-Based Systems for Hardware Security Applications

Security of systems has become a major concern with the advent of technology. Researchers are proposing new security solutions every day in order to meet the area, power and performance specifications of the systems. The additional circuit required for security purposes can consume significant area and power. This work proposes a solution which utilizes discrete-time chaos-based logic gates to build a system which addresses multiple hardware security issues. The nonlinear dynamics of chaotic maps is leveraged to build a system that mitigates IC counterfeiting, IP piracy, overbuilding, disables hardware Trojan insertion and enables authentication of connecting devices (such as IoT and mobile). Chaos-based systems are also used to generate pseudo-random numbers for cryptographic applications.The chaotic map is the building block for the design of discrete-time chaos-based oscillator. The analog output of the oscillator is converted to digital value using a comparator in order to build logic gates. The logic gate is reconfigurable since different parameters in the circuit topology can be altered to implement multiple Boolean functions using the same system. The tuning parameters are control input, bifurcation parameter, iteration number and threshold voltage of the comparator. The proposed system is a hybrid between standard CMOS logic gates and reconfigurable chaos-based logic gates where original gates are replaced by chaos-based gates. The system works in two modes: logic locking and authentication. In logic locking mode, the goal is to ensure that the system achieves logic obfuscation in order to mitigate IC counterfeiting. The secret key for logic locking is made up of the tuning parameters of the chaotic oscillator. Each gate has 10-bit key which ensures that the key space is large which exponentially increases the computational complexity of any attack. In authentication mode, the aim of the system is to provide authentication of devices so that adversaries cannot connect to devices to learn confidential information. Chaos-based computing system is susceptible to process variation which can be leveraged to build a chaos-based PUF. The proposed system demonstrates near ideal PUF characteristics which means systems with large number of primary outputs can be used for authenticating devices

Synaptic rewiring in neuromorphic VLSI for topographic map formation

A generalised model of biological topographic map development is presented which combines both weight plasticity and the formation and elimination of synapses (synaptic rewiring) as well as both activity-dependent and -independent processes. The question of whether an activity-dependent process can refine a mapping created by an activity-independent process is investigated using a statistical approach to analysingmapping quality. The model is then implemented in custom mixed-signal VLSI. Novel aspects of this implementation include: (1) a distributed and locally reprogrammable address-event receiver, with which large axonal fan-out does not reduce channel capacity; (2) an analogue current-mode circuit for Euclidean distance calculation which is suitable for operation across multiple chips; (3) slow probabilistic synaptic rewiring driven by (pseudo-)random noise; (4) the application of a very-low-current design technique to improving the stability of weights stored on capacitors; (5) exploiting transistor non-ideality to implement partially weightdependent spike-timing-dependent plasticity; (6) the use of the non-linear capacitance of MOSCAP devices to compensate for other non-linearities. The performance of the chip is characterised and it is shown that the fabricated chips are capable of implementing the model, resulting in biologically relevant behaviours such as activity-dependent reduction of the spatial variance of receptive fields. Complementing a fast synaptic weight change mechanism with a slow synapse rewiring mechanism is suggested as a method of increasing the stability of learned patterns

Choose-Your-Own Adventure: A Lightweight, High-Performance Approach To Defect And Variation Mitigation In Reconfigurable Logic

For field-programmable gate arrays (FPGAs), fine-grained pre-computed alternative configurations, combined with simple test-based selection, produce limited per-chip specialization to counter yield loss, increased delay, and increased energy costs that come from fabrication defects and variation. This lightweight approach achieves much of the benefit of knowledge-based full specialization while reducing to practical, palatable levels the computational, testing, and load-time costs that obstruct the application of the knowledge-based approach. In practice this may more than double the power-limited computational capabilities of dies fabricated with 22nm technologies. Contributions of this work: • Choose-Your-own-Adventure (CYA), a novel, lightweight, scalable methodology to achieve defect and variation mitigation • Implementation of CYA, including preparatory components (generation of diverse alternative paths) and FPGA load-time components • Detailed performance characterization of CYA – Comparison to conventional loading and dynamic frequency and voltage scaling (DFVS) – Limit studies to characterize the quality of the CYA implementation and identify potential areas for further optimizatio

New Developments in Renewable Energy

Renewable energy is defined as the energy which naturally occurs, covers a number of sources and technologies at different stages, and is theoretically inexhaustible. Renewable energy sources such as those who are generated from sun or wind are the most readily-available and possible solutions to address the challenge of growing energy demands in the world. Newer and environmentally friendly technologies are able to provide different social and environmental benefits such as employment and decent environment. Renewable energy technologies are crucial contributors to world energy security, reduce reliance on fossil fuels, and provide opportunities for mitigating greenhouse gases. International public opinion indicates that there is strong support for a variety of methods for solving energy supply problems, one of which is utilizing renewable energy sources. In recent years, countries realized that that the renewable energy and its sector are key components for greener economies

Analogue filter networks: developments in theory, design and analyses

Not availabl

Topics in chaotic secure communication

Results in nonlinear dynamics and chaos during this decade have been applied to problems in secure communications with limited success. Most of these applications have been based on the chaotic synchronization property discovered by Pecora and Carroll in 1989 [37]. Short [44, 45, 48] demonstrated the effectiveness of nonlinear dynamic (NLD) forecasting methods in breaking this class of communication schemes. In response, investigators have proposed enhancements to the basic synchronization technique in an attempt to improve the security properties. In this work two of these newer communication systems will be analyzed using NLD forecasting and other techniques to determine the level of security they provide. It will be shown that the transmitted waveform alone allows an eavesdropper to extract the message. During the course of this research, a new impulsively initialized, binary chaotic communication scheme has been developed, which eliminates the most significant weaknesses of its predecessors. This new approach is based on symbolic dynamics and chaotic control, and may be implemented using one-dimensional maps, which gives the designer more control over the statistics of the transmitted binary stream. Recent results in a certain class of one-dimensional chaotic maps will be discussed in this context. The potential for using NLD techniques in problems from standard digital communications will also be explored. The two problems which will be addressed are bit errors due to channel effects and co-channel interference. It will be shown that NLD reconstruction methods provide a way to exploit the short-term determinism that is present in these types of communication signals