High-Speed Area-Efficient Hardware Architecture for the Efficient Detection of Faults in a Bit-Parallel Multiplier Utilizing the Polynomial Basis of GF(2m)

The utilization of finite field multipliers is pervasive in contemporary digital systems, with hardware implementation for bit parallel operation often necessitating millions of logic gates. However, various digital design issues, whether natural or stemming from soft errors, can result in gate malfunction, ultimately leading to erroneous multiplier outputs. Thus, to prevent susceptibility to error, it is imperative to employ an effective finite field multiplier implementation that boasts a robust fault detection capability. This study proposes a novel fault detection scheme for a recent bit-parallel polynomial basis multiplier over GF(2m), intended to achieve optimal fault detection performance for finite field multipliers while simultaneously maintaining a low-complexity implementation, a favored attribute in resource-constrained applications like smart cards. The primary concept behind the proposed approach is centered on the implementation of a BCH decoder that utilizes re-encoding technique and FIBM algorithm in its first and second sub-modules, respectively. This approach serves to address hardware complexity concerns while also making use of Berlekamp-Rumsey-Solomon (BRS) algorithm and Chien search method in the third sub-module of the decoder to effectively locate errors with minimal delay. The results of our synthesis indicate that our proposed error detection and correction architecture for a 45-bit multiplier with 5-bit errors achieves a 37% and 49% reduction in critical path delay compared to existing designs. Furthermore, the hardware complexity associated with a 45-bit multiplicand that contains 5 errors is confined to a mere 80%, which is significantly lower than the most exceptional BCH-based fault recognition methodologies, including TMR, Hamming's single error correction, and LDPC-based procedures within the realm of finite field multiplication.Comment: 9 pages, 4 figures. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2209.1338

Bitstream Modification of Trivium

In this paper we present a bitstream modification attack on the Trivium cipher, an international standard under ISO/IEC 29192-3. By changing the content of three LUTs in the bitstream, we reduce the non-linear state updating function of Trivium to a linear one. This makes it possible to recover the key from 288 keystream bits using at most $2^{19.41}$ operations. We also propose a countermeasure against bitstream modification attacks which obfuscates the bitstream using dummy and camouflaged LUTs which look legitimate to the attacker. We present an algorithm for injecting dummy LUTs directly into the bitstream without causing any performance or power penalty

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

NASA space station automation: AI-based technology review

Research and Development projects in automation for the Space Station are discussed. Artificial Intelligence (AI) based automation technologies are planned to enhance crew safety through reduced need for EVA, increase crew productivity through the reduction of routine operations, increase space station autonomy, and augment space station capability through the use of teleoperation and robotics. AI technology will also be developed for the servicing of satellites at the Space Station, system monitoring and diagnosis, space manufacturing, and the assembly of large space structures

Nutzung kryptographischer Funktionen zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit

Cryptographic techniques deal with securing information against unwanted usage, while coding techniques deals with keeping data error-free and retrieving them reliably. However, both techniques share many tools, bounds and limitations. In this thesis, several novel approaches towards improving system reliability by combining cryptographic and coding techniques in several constellations are presented. The first constellation is deploying pure cryptographic functions to improve reliability issues overshadowed in systems that previously had no reliability-supporting coding mechanisms. Such systems could have just authenticity, secrecy and/or integrity mechanisms for security services. The second constellation deploys a mixture of both cryptographic functions and error correction codes to improve the overall system reliability. The first contribution in this thesis, presents a new practical approach for detection and correction of execution errors for AES cipher. The source of such errors could be natural or as a result of fault injection attacks. The proposed approach is making use of the two linear mappings in the AES round structure for error control. The second contribution is investigating the possibility and ability of deploying pure cryptographic hash functions to detect and correct a class of errors. The error correction is achieved by deploying a part of the hash bits to correct a class of selected unidirectional error class with high probability. The error correction process would degrade the authentication level in a non-significant fashion. In the third and fourth contributions, we propose algorithms to improve system correctability beyond classical limits by combining coding and cryptographic functions. The new algorithms are based mainly on the fundamentals investigated in the second contribution as mechanisms to detect and correct errors. The new algorithms are investigated in terms of collision and attacking complexity, as error correction via hash matching is similar to a successful authentication attack. The resulting performance showed achievable good error correctability, authenticity, and integrity figures.Kryptografische Methoden zielen der Sicherung von Information gegen unerwünschte Nutzung, wobei Codierungstechnik behandelt die Korrektur der Fehler in den Daten und deren zuverlässigen Rückgewinnung. Beide Techniken bedienen sich ähnlich Instrumente und besitzen ähnliche grenzen und Grenzwerte. In diese Dissertation, werden mehrere neue Verfahren zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit durch verschiedene Konstellationen zur Kombination der beiden Fehlerkontrollcodierung und Kryptografische Verfahren. In der ersten Konstellation werden reine kryptologische Funktionen verwendet, die zur Verbesserung der Zuverlässigkeitsaspekte in den Systemen die keine Zuverlässigkeitsfördernde Codierungs-Maßnahme enthalten dienen. Solche Systeme besitzen z. B. nur Authentifikation, Geheimhaltung oder Integritäts-Mechanismen in den Sicherheitsdiensten. Die zweite Konstellation verwendet eine Kombination von Fehlerkorrigierende Codes und Krypto-Mechanismen für die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Systems. Der erste Beitrag in diese Arbeit präsentiert ein neues praktisches Verfahren zur Erkennung und Korrektur von Verarbeitungsfehler in AES Chiffre. Die Ursachen solche Fehler konnten natürlich oder als Resultat eines beabsichtigten „Fault Injection“ Angriff sein. Das Verfahren nutzt die linearen Abbildungen im AES Runden-Funktion für Fehlerkontrolle. Der zweite Beitrag untersucht die Möglichkeit und Fähigkeit zur Einsatz von Hashfunktionen zur Erkennung und Korrektur vom Fehler. Die Fehlerkorrektur ist erreicht durch die Nutzung eines Anteil des Hash Bits um eine Klasse von ausgewähltem Unidirektionalen-Fehler mit höhe Wahrscheinlichkeit zu korrigieren. Dabei wird der Fehlerkorrekturprozess die Authentifikationsgrad des Hashfunktion nicht signifikant reduzieren. In den dritten und vierten Beitrag werden Algorithmen vorgeschlagen um die Zuverlässigkeit des System über die klassischen grenzen verbessert. Das wird durch Kombination von Kryptologischen und Codierung Funktionen erreicht. Die neuen Algorithmen sind auf die fundamentale Untersuchungen des zweiten Beitrag als Mechanismen für Fehlererkennung und Fehlerkorrektur basiert. Die neuen Algorithmen sind auf deren Kollision und Angriffskomplexität Verhalten untersucht worden, da Fehlerkorrektur durch Hashwert-Anpassung eines erfolgreichen Authentifikationsangriff ähnlich ist. Die resultierenden Verhalten zeigen gute Werte für erreichbare Fehlerkorrekturfähigkeit, Authentifikations-Grad und Integrität

Compilation Optimizations to Enhance Resilience of Big Data Programs and Quantum Processors

Modern computers can experience a variety of transient errors due to the surrounding environment, known as soft faults. Although the frequency of these faults is low enough to not be noticeable on personal computers, they become a considerable concern during large-scale distributed computations or systems in more vulnerable environments like satellites. These faults occur as a bit flip of some value in a register, operation, or memory during execution. They surface as either program crashes, hangs, or silent data corruption (SDC), each of which can waste time, money, and resources. Hardware methods, such as shielding or error correcting memory (ECM), exist, though they can be difficult to implement, expensive, and may be limited to only protecting against errors in specific locations. Researchers have been exploring software detection and correction methods as an alternative, commonly trading either overhead in execution time or memory usage to protect against faults. Quantum computers, a relatively recent advancement in computing technology, experience similar errors on a much more severe scale. The errors are more frequent, costly, and difficult to detect and correct. Error correction algorithms like Shor’s code promise to completely remove errors, but they cannot be implemented on current noisy intermediate-scale quantum (NISQ) systems due to the low number of available qubits. Until the physical systems become large enough to support error correction, researchers instead have been studying other methods to reduce and compensate for errors. In this work, we present two methods for improving the resilience of classical processes, both single- and multi-threaded. We then introduce quantum computing and compare the nature of errors and correction methods to previous classical methods. We further discuss two designs for improving compilation of quantum circuits. One method, focused on quantum neural networks (QNNs), takes advantage of partial compilation to avoid recompiling the entire circuit each time. The other method is a new approach to compiling quantum circuits using graph neural networks (GNNs) to improve the resilience of quantum circuits and increase fidelity. By using GNNs with reinforcement learning, we can train a compiler to provide improved qubit allocation that improves the success rate of quantum circuits