Mathematical Estimation of Logical Masking Capability of Majority/Minority Gates Used in Nanoelectronic Circuits

In nanoelectronic circuit synthesis, the majority gate and the inverter form the basic combinational logic primitives. This paper deduces the mathematical formulae to estimate the logical masking capability of majority gates, which are used extensively in nanoelectronic digital circuit synthesis. The mathematical formulae derived to evaluate the logical masking capability of majority gates holds well for minority gates, and a comparison with the logical masking capability of conventional gates such as NOT, AND/NAND, OR/NOR, and XOR/XNOR is provided. It is inferred from this research work that the logical masking capability of majority/minority gates is similar to that of XOR/XNOR gates, and with an increase of fan-in the logical masking capability of majority/minority gates also increases

Reliability-energy-performance optimisation in combinational circuits in presence of soft errors

PhD ThesisThe reliability metric has a direct relationship to the amount of value produced by a circuit, similar to the performance metric. With advances in CMOS technology, digital circuits become increasingly more susceptible to soft errors. Therefore, it is imperative to be able to assess and improve the level of reliability of these circuits. A framework for evaluating and improving the reliability of combinational circuits is proposed, and an interplay between the metrics of reliability, energy and performance is explored. Reliability evaluation is divided into two levels of characterisation: stochastic fault model (SFM) of the component library and a design-specific critical vector model (CVM). The SFM captures the properties of components with regard to the interference which causes error. The CVM is derived from a limited number of simulation runs on the specific design at the design time and producing the reliability metric. The idea is to move the high-complexity problem of the stochastic characterisation of components to the generic part of the design process, and to do it just once for a large number of specific designs. The method is demonstrated on a range of circuits with various structures. A three-way trade-off between reliability, energy, and performance has been discovered; this trade-off facilitates optimisations of circuits and their operating conditions. A technique for improving the reliability of a circuit is proposed, based on adding a slow stage at the primary output. Slow stages have the ability to absorb narrow glitches from prior stages, thus reducing the error probability. Such stages, or filters, suppress most of the glitches generated in prior stages and prevent them from arriving at the primary output of the circuit. Two filter solutions have been developed and analysed. The results show a dramatic improvement in reliability at the expense of minor performance and energy penalties. To alleviate the problem of the time-consuming analogue simulations involved in the proposed method, a simplification technique is proposed. This technique exploits the equivalence between the properties of the gates within a path and the equivalence between paths. On the basis of these equivalences, it is possible to reduce the number of simulation runs. The effectiveness of the proposed technique is evaluated by applying it to different circuits with a representative variety of path topologies. The results show a significant decrease in the time taken to estimate reliability at the expense of a minor decrease in the accuracy of estimation. The simplification technique enables the use of the proposed method in applications with complex circuits.Ministry of Education and Scientific Research in Liby

Embedded Analog Physical Unclonable Function System to Extract Reliable and Unique Security Keys

Internet of Things (IoT) enabled devices have become more and more pervasive in our everyday lives. Examples include wearables transmitting and processing personal data and smart labels interacting with customers. Due to the sensitive data involved, these devices need to be protected against attackers. In this context, hardware-based security primitives such as Physical Unclonable Functions (PUFs) provide a powerful solution to secure interconnected devices. The main benefit of PUFs, in combination with traditional cryptographic methods, is that security keys are derived from the random intrinsic variations of the underlying core circuit. In this work, we present a holistic analog-based PUF evaluation platform, enabling direct access to a scalable design that can be customized to fit the application requirements in terms of the number of required keys and bit width. The proposed platform covers the full software and hardware implementations and allows for tracing the PUF response generation from the digital level back to the internal analog voltages that are directly involved in the response generation procedure. Our analysis is based on 30 fabricated PUF cores that we evaluated in terms of PUF security metrics and bit errors for various temperatures and biases. With an average reliability of 99.20% and a uniqueness of 48.84%, the proposed system shows values close to ideal

Low-Frequency Noise Phenomena in Switched MOSFETs

In small-area MOSFETs widely used in analog and RF circuit design, low-frequency (LF) noise behavior is increasingly dominated by single-electron effects. In this paper, the authors review the limitations of current compact noise models which do not model such single-electron effects. The authors present measurement results that illustrate typical LF noise behavior in small-area MOSFETs, and a model based on Shockley-Read-Hall statistics to explain the behavior. Finally, the authors treat practical examples that illustrate the relevance of these effects to analog circuit design. To the analog circuit designer, awareness of these single-electron noise phenomena is crucial if optimal circuits are to be designed, especially since the effects can aid in low-noise circuit design if used properly, while they may be detrimental to performance if inadvertently applie

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Loss-resilient Coding of Texture and Depth for Free-viewpoint Video Conferencing

Free-viewpoint video conferencing allows a participant to observe the remote 3D scene from any freely chosen viewpoint. An intermediate virtual viewpoint image is commonly synthesized using two pairs of transmitted texture and depth maps from two neighboring captured viewpoints via depth-image-based rendering (DIBR). To maintain high quality of synthesized images, it is imperative to contain the adverse effects of network packet losses that may arise during texture and depth video transmission. Towards this end, we develop an integrated approach that exploits the representation redundancy inherent in the multiple streamed videos a voxel in the 3D scene visible to two captured views is sampled and coded twice in the two views. In particular, at the receiver we first develop an error concealment strategy that adaptively blends corresponding pixels in the two captured views during DIBR, so that pixels from the more reliable transmitted view are weighted more heavily. We then couple it with a sender-side optimization of reference picture selection (RPS) during real-time video coding, so that blocks containing samples of voxels that are visible in both views are more error-resiliently coded in one view only, given adaptive blending will erase errors in the other view. Further, synthesized view distortion sensitivities to texture versus depth errors are analyzed, so that relative importance of texture and depth code blocks can be computed for system-wide RPS optimization. Experimental results show that the proposed scheme can outperform the use of a traditional feedback channel by up to 0.82 dB on average at 8% packet loss rate, and by as much as 3 dB for particular frames