68 research outputs found

    Adversarial Deep Learning and Security with a Hardware Perspective

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    Adversarial deep learning is the field of study which analyzes deep learning in the presence of adversarial entities. This entails understanding the capabilities, objectives, and attack scenarios available to the adversary to develop defensive mechanisms and avenues of robustness available to the benign parties. Understanding this facet of deep learning helps us improve the safety of the deep learning systems against external threats from adversaries. However, of equal importance, this perspective also helps the industry understand and respond to critical failures in the technology. The expectation of future success has driven significant interest in developing this technology broadly. Adversarial deep learning stands as a balancing force to ensure these developments remain grounded in the real-world and proceed along a responsible trajectory. Recently, the growth of deep learning has begun intersecting with the computer hardware domain to improve performance and efficiency for resource constrained application domains. The works investigated in this dissertation constitute our pioneering efforts in migrating adversarial deep learning into the hardware domain alongside its parent field of research

    Information security and assurance : Proceedings international conference, ISA 2012, Shanghai China, April 2012

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    Security Aspects of Printed Electronics Applications

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    Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

    N-variant Hardware Design

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    The emergence of lightweight embedded devices imposes stringent constraints on the area and power of the circuits used to construct them. Meanwhile, many of these embedded devices are used in applications that require diversity and flexibility to make them secure and adaptable to the fluctuating workload or variable fabric. While field programmable gate arrays (FPGAs) provide high flexibility, the use of application specific integrated circuits (ASICs) to implement such devices is more appealing because ASICs can currently provide an order of magnitude less area and better performance in terms of power and speed. My proposed research introduces the N-variant hardware design methodology that adds the sufficient flexibility needed by such devices while preserving the performance and area advantages of using ASICs. The N-variant hardware design embeds different variants of the design control part on the same IC to provide diversity and flexibility. Because the control circuitry usually represents a small fraction of the whole circuit, using multiple versions of the control circuitry is expected to have a low overhead. The objective of my thesis is to formulate a method that provides the following advantages: (i) ease of integration in the current ASIC design flow, (ii) minimal impact on the performance and area of the ASIC design, and (iii) providing a wide range of applications for hardware security and tuning the performance of chips either statically (e.g., post-silicon optimization) or dynamically (at runtime). This is achieved by adding diversity at two orthogonal levels: (i) state space diversity, and (ii) scheduling diversity. State space diversity expands the state space of the controller. Using state space diversity, we introduce an authentication mechanism and the first active hardware metering schemes. On the other hand, scheduling diversity is achieved by embedding different control schedules in the same design. The scheduling diversity can be spatial, temporal, or a hybrid of both methods. Spatial diversity is achieved by implementing multiple control schedules that use various parts of the chip at different rates. Temporal diversity provides variants of the controller that can operate at unequal speeds. A hybrid of both spatial and temporal diversities can also be implemented. Scheduling diversity is used to add the flexibility to tune the performance of the chip. An application of the thermal management of the chip is demonstrated using scheduling diversity. Experimental results show that the proposed method is easy to integrate in the current ASIC flow, has a wide range of applications, and incurs low overhead

    Implementation of an Improved Image Enhancement Algorithm on FPGA

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    Image processing plays very crucial role in this digital human world and has rapidly evolved with the development of computers, mathematics and the real-life demand of variety of applications in wide range of areas. This wide range of areas includes remote sensing, machine/ robot vision, pattern recognition, medical diagnosis, video processing, military, agriculture, television, etc. Image processing has two important components which are image enhancement and information extraction. Since image enhancement works at the front end with the initial raw inputs, it works like a backbone in image processing. When it comes to implementing these image enhancement techniques and developing applications, these tasks are bit demanding in the choice of processing units because the demand of high resolution. This emerges the necessity of a high speed, powerful and cost-effective processing unit. In this thesis we present an improved image enhancement algorithm in terms of performance and its implementation on FPGA as they satiates the necessity of high speed, powerful and cost-effective processing unit by providing flexibility, parallelization, pipelining and reconfigurability. We have performed a high level synthesis by using MATLAB and implemented an improved image enhancement algorithm on Cyclone V by using Quartus Prime. We have considered an X-ray image size of 1000x1920p for implementation and achieved decent PSNR values and hardware resource utilization along with the better visual interpretability by our proposed improvements. For achieving a better execution time and power consumption we also offer the task parallelism for the algorithm

    Implementation Of An Improved Image Enhancement Algorithm On FPGA

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    Image processing plays very crucial role in this digital human world and has rapidly evolved with the development of computers, mathematics and the real-life demand of variety of applications in wide range of areas. This wide range of areas includes remote sensing, machine/ robot vision, pattern recognition, medical diagnosis, video processing, military, agriculture, television, etc. Image processing has two important components which are image enhancement and information extraction. Since image enhancement works at the front end with the initial raw inputs, it works like a backbone in image processing. When it comes to implementing these image enhancement techniques and developing applications, these tasks are bit demanding in the choice of processing units because the demand of high resolution. This emerges the necessity of a high speed, powerful and cost-effective processing unit. In this thesis we present an improved image enhancement algorithm in terms of performance and its implementation on FPGA as they satiates the necessity of high speed, powerful and cost-effective processing unit by providing flexibility, parallelization, pipelining and reconfigurability. We have performed a high level synthesis by using MATLAB and implemented an improved image enhancement algorithm on Cyclone V by using Quartus Prime. We have considered an X-ray image size of 1000x1920p for implementation and achieved decent PSNR values and hardware resource utilization along with the better visual interpretability by our proposed improvements. For achieving a better execution time and power consumption we also offer the task parallelism for the algorithm

    Engineering Education and Research Using MATLAB

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    MATLAB is a software package used primarily in the field of engineering for signal processing, numerical data analysis, modeling, programming, simulation, and computer graphic visualization. In the last few years, it has become widely accepted as an efficient tool, and, therefore, its use has significantly increased in scientific communities and academic institutions. This book consists of 20 chapters presenting research works using MATLAB tools. Chapters include techniques for programming and developing Graphical User Interfaces (GUIs), dynamic systems, electric machines, signal and image processing, power electronics, mixed signal circuits, genetic programming, digital watermarking, control systems, time-series regression modeling, and artificial neural networks

    Intelligent Circuits and Systems

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    ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.  This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering
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