14 research outputs found

    Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

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    Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

    Dynamic partial reconfiguration management for high performance and reliability in FPGAs

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    Modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are no longer used to implement small “glue logic” circuitries. The high-density of reconfigurable logic resources in today’s FPGAs enable the implementation of large systems in a single chip. FPGAs are highly flexible devices; their functionality can be altered by simply loading a new binary file in their configuration memory. While the flexibility of FPGAs is comparable to General-Purpose Processors (GPPs), in the sense that different functions can be performed using the same hardware, the performance gain that can be achieved using FPGAs can be orders of magnitudes higher as FPGAs offer the ability for customisation of parallel computational architectures. Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) allows for changing the functionality of certain blocks on the chip while the rest of the FPGA is operational. DPR has sparked the interest of researchers to explore new computational platforms where computational tasks are off-loaded from a main CPU to be executed using dedicated reconfigurable hardware accelerators configured on demand at run-time. By having a battery of custom accelerators which can be swapped in and out of the FPGA at runtime, a higher computational density can be achieved compared to static systems where the accelerators are bound to fixed locations within the chip. Furthermore, the ability of relocating these accelerators across several locations on the chip allows for the implementation of adaptive systems which can mitigate emerging faults in the FPGA chip when operating in harsh environments. By porting the appropriate fault mitigation techniques in such computational platforms, the advantages of FPGAs can be harnessed in different applications in space and military electronics where FPGAs are usually seen as unreliable devices due to their sensitivity to radiation and extreme environmental conditions. In light of the above, this thesis investigates the deployment of DPR as: 1) a method for enhancing performance by efficient exploitation of the FPGA resources, and 2) a method for enhancing the reliability of systems intended to operate in harsh environments. Achieving optimal performance in such systems requires an efficient internal configuration management system to manage the reconfiguration and execution of the reconfigurable modules in the FPGA. In addition, the system needs to support “fault-resilience” features by integrating parameterisable fault detection and recovery capabilities to meet the reliability standard of fault-tolerant applications. This thesis addresses all the design and implementation aspects of an Internal Configuration Manger (ICM) which supports a novel bitstream relocation model to enable the placement of relocatable accelerators across several locations on the FPGA chip. In addition to supporting all the configuration capabilities required to implement a Reconfigurable Operating System (ROS), the proposed ICM also supports the novel multiple-clone configuration technique which allows for cloning several instances of the same hardware accelerator at the same time resulting in much shorter configuration time compared to traditional configuration techniques. A faulttolerant (FT) version of the proposed ICM which supports a comprehensive faultrecovery scheme is also introduced in this thesis. The proposed FT-ICM is designed with a much smaller area footprint compared to Triple Modular Redundancy (TMR) hardening techniques while keeping a comparable level of fault-resilience. The capabilities of the proposed ICM system are demonstrated with two novel applications. The first application demonstrates a proof-of-concept reliable FPGA server solution used for executing encryption/decryption queries. The proposed server deploys bitstream relocation and modular redundancy to mitigate both permanent and transient faults in the device. It also deploys a novel Built-In Self- Test (BIST) diagnosis scheme, specifically designed to detect emerging permanent faults in the system at run-time. The second application is a data mining application where DPR is used to increase the computational density of a system used to implement the Frequent Itemset Mining (FIM) problem

    An investigation of distributed computing for combinatorial testing

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    Combinatorial test generation, also calledt-way testing, is the process ofgenerating sets of input parameters for a system under test, by consideringinteractions between values of multiple parameters. In order to decrease totaltesting time, there is an interest in techniques that generate smaller test suites.In our previous work, we used graph techniques to produce high-quality testsuites. However, these techniques require a lot of computing power andmemory, which is why this paper investigates distributed computing fort-waytesting. We first introduce our distributed graph colouring method, with newalgorithms for building the graph and for colouring it. Second, we present ourdistributed hypergraph vertex covering method and a new heuristic. Third, weshow how to build a distributed IPOG algorithm by leveraging either graphcolouring or hypergraph vertex covering as vertical growth algorithms.Finally, we test these new methods on a computer cluster and compare themto existingt-way testing tools

    Reliability and Security Assessment of Modern Embedded Devices

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    L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

    White Paper 11: Artificial intelligence, robotics & data science

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    198 p. : 17 cmSIC white paper on Artificial Intelligence, Robotics and Data Science sketches a preliminary roadmap for addressing current R&D challenges associated with automated and autonomous machines. More than 50 research challenges investigated all over Spain by more than 150 experts within CSIC are presented in eight chapters. Chapter One introduces key concepts and tackles the issue of the integration of knowledge (representation), reasoning and learning in the design of artificial entities. Chapter Two analyses challenges associated with the development of theories –and supporting technologies– for modelling the behaviour of autonomous agents. Specifically, it pays attention to the interplay between elements at micro level (individual autonomous agent interactions) with the macro world (the properties we seek in large and complex societies). While Chapter Three discusses the variety of data science applications currently used in all fields of science, paying particular attention to Machine Learning (ML) techniques, Chapter Four presents current development in various areas of robotics. Chapter Five explores the challenges associated with computational cognitive models. Chapter Six pays attention to the ethical, legal, economic and social challenges coming alongside the development of smart systems. Chapter Seven engages with the problem of the environmental sustainability of deploying intelligent systems at large scale. Finally, Chapter Eight deals with the complexity of ensuring the security, safety, resilience and privacy-protection of smart systems against cyber threats.18 EXECUTIVE SUMMARY ARTIFICIAL INTELLIGENCE, ROBOTICS AND DATA SCIENCE Topic Coordinators Sara Degli Esposti ( IPP-CCHS, CSIC ) and Carles Sierra ( IIIA, CSIC ) 18 CHALLENGE 1 INTEGRATING KNOWLEDGE, REASONING AND LEARNING Challenge Coordinators Felip Manyà ( IIIA, CSIC ) and Adrià Colomé ( IRI, CSIC – UPC ) 38 CHALLENGE 2 MULTIAGENT SYSTEMS Challenge Coordinators N. Osman ( IIIA, CSIC ) and D. López ( IFS, CSIC ) 54 CHALLENGE 3 MACHINE LEARNING AND DATA SCIENCE Challenge Coordinators J. J. Ramasco Sukia ( IFISC ) and L. Lloret Iglesias ( IFCA, CSIC ) 80 CHALLENGE 4 INTELLIGENT ROBOTICS Topic Coordinators G. Alenyà ( IRI, CSIC – UPC ) and J. Villagra ( CAR, CSIC ) 100 CHALLENGE 5 COMPUTATIONAL COGNITIVE MODELS Challenge Coordinators M. D. del Castillo ( CAR, CSIC) and M. Schorlemmer ( IIIA, CSIC ) 120 CHALLENGE 6 ETHICAL, LEGAL, ECONOMIC, AND SOCIAL IMPLICATIONS Challenge Coordinators P. Noriega ( IIIA, CSIC ) and T. Ausín ( IFS, CSIC ) 142 CHALLENGE 7 LOW-POWER SUSTAINABLE HARDWARE FOR AI Challenge Coordinators T. Serrano ( IMSE-CNM, CSIC – US ) and A. Oyanguren ( IFIC, CSIC - UV ) 160 CHALLENGE 8 SMART CYBERSECURITY Challenge Coordinators D. Arroyo Guardeño ( ITEFI, CSIC ) and P. Brox Jiménez ( IMSE-CNM, CSIC – US )Peer reviewe

    A Solder-Defined Computer Architecture for Backdoor and Malware Resistance

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    This research is about securing control of those devices we most depend on for integrity and confidentiality. An emerging concern is that complex integrated circuits may be subject to exploitable defects or backdoors, and measures for inspection and audit of these chips are neither supported nor scalable. One approach for providing a “supply chain firewall” may be to forgo such components, and instead to build central processing units (CPUs) and other complex logic from simple, generic parts. This work investigates the capability and speed ceiling when open-source hardware methodologies are fused with maker-scale assembly tools and visible-scale final inspection. The author has designed, and demonstrated in simulation, a 36-bit CPU and protected memory subsystem that use only synchronous static random access memory (SRAM) and trivial glue logic integrated circuits as components. The design presently lacks preemptive multitasking, ability to load firmware into the SRAMs used as logic elements, and input/output. Strategies are presented for adding these missing subsystems, again using only SRAM and trivial glue logic. A load-store architecture is employed with four clock cycles per instruction. Simulations indicate that a clock speed of at least 64 MHz is probable, corresponding to 16 million instructions per second (16 MIPS), despite the architecture containing no microprocessors, field programmable gate arrays, programmable logic devices, application specific integrated circuits, or other purchased complex logic. The lower speed, larger size, higher power consumption, and higher cost of an “SRAM minicomputer,” compared to traditional microcontrollers, may be offset by the fully open architecture—hardware and firmware—along with more rigorous user control, reliability, transparency, and auditability of the system. SRAM logic is also particularly well suited for building arithmetic logic units, and can implement complex operations such as population count, a hash function for associative arrays, or a pseudorandom number generator with good statistical properties in as few as eight clock cycles per 36-bit word processed. 36-bit unsigned multiplication can be implemented in software in 47 instructions or fewer (188 clock cycles). A general theory is developed for fast SRAM parallel multipliers should they be needed
    corecore