Cost and energy efficient reconfigurable embedded platform using Spartan-6 FPGAs

Modern FPGAs with run-time reconfiguration allow the implementation of complex systems offering both the flexibility of software-based solutions combined with the performance of hardware. This combination of characteristics, together with the development of new specific methodologies, make feasible to reach new points of the system design space, and make embedded systems built on these platforms acquire more and more importance. However, the practical exploitation of this technique in fields that traditionally have relied on resource restricted embedded systems, is mainly limited by strict power consumption requirements, the cost and the high dependence of DPR techniques with the specific features of the device technology underneath. In this work, we tackle the previously reported problems, designing a reconfigurable platform based on the low-cost and low-power consuming Spartan-6 FPGA family. The full process to develop the platform will be detailed in the paper from scratch. In addition, the implementation of the reconfiguration mechanism, including two profiles, is reported. The first profile is a low-area and low-speed reconfiguration engine based mainly on software functions running on the embedded processor, while the other one is a hardware version of the same engine, implemented in the FPGA logic. This reconfiguration hardware block has been originally designed to the Virtex-5 family, and its porting process will be also described in this work, facing the interoperability problem among different families

Fault-Resilient Lightweight Cryptographic Block Ciphers for Secure Embedded Systems

The development of extremely-constrained environments having sensitive nodes such as RFID tags and nano-sensors necessitates the use of lightweight block ciphers. Indeed, lightweight block ciphers are essential for providing low-cost confidentiality to such applications. Nevertheless, providing the required security properties does not guarantee their reliability and hardware assurance when the architectures are prone to natural and malicious faults. In this thesis, considering false-alarm resistivity, error detection schemes for the lightweight block ciphers are proposed with the case study of XTEA (eXtended TEA). We note that lightweight block ciphers might be better suited for low-resource environments compared to the Advanced Encryption Standard, providing low complexity and power consumption. To the best of the author\u27s knowledge, there has been no error detection scheme presented in the literature for the XTEA to date. Three different error detection approaches are presented and according to our fault-injection simulations for benchmarking the effectiveness of the proposed schemes, high error coverage is derived. Finally, field-programmable gate array (FPGA) implementations of these proposed error detection structures are presented to assess their efficiency and overhead. The proposed error detection architectures are capable of increasing the reliability of the implementations of this lightweight block cipher. The schemes presented can also be applied to lightweight hash functions with similar structures, making the presented schemes suitable for providing reliability to their lightweight security-constrained hardware implementations

Analyzing energy savings in an FPGA video processing system using dynamic partial reconfiguration

Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) can be a useful tool for maximizing FPGA performance while minimizing power consumption and FPGA size requirements. This work explores the application of the DPR technique in a computer vision application that implements two different edge detection algorithms (FASTX and Sobel). This technique could allow for a similar computer vision system to be realized on a smaller, low-power chipset. Different algorithms can have unique characteristics that yield better performance in certain scenarios; the best algorithm for the current scenario may change during runtime. However, implementing all available algorithms in hardware increases the space and power requirements of the FPGA. We analyze a system that can load an individual edge detection algorithm into the computer vision processing pipeline with negligible interruptions to data processing by using DPR. This application targets the Xilinx UltraScale+ ZCU106 and is able to maintain the same functionality while using an average of 4% less energy when compared to the non-DPR implementation. Additionally, the FPGA utilization for this application is 15% less than that of the traditional implementation that includes both algorithms on the chip at once. These results demonstrate that this technique could allow a similar computer vision system to be realized on a smaller, low-power chipset

Compact Field Programmable Gate Array Based Physical Unclonable Functions Circuits

The Physical Unclonable Functions (PUFs) is a candidate to provide a secure solid root source for identification and authentication applications. It is precious for FPGA-based systems, as FPGA designs are vulnerable to IP thefts and cloning. Ideally, the PUFs should have strong random variations from one chip to another, and thus each PUF is unique and hard to replicate. Also, the PUFs should be stable over time so that the same challenge bits always yield the same result. Correspondingly, one of the major challenges for FPGA-based PUFs is the difficulty of avoiding systematic bias in the integrated circuits but also pulling out consistent characteristics as the PUF at the same time. This thesis discusses several compact PUF structures relying on programmable delay lines (PDLs) and our novel intertwined programmable delays (IPD). We explore the strategy to extract the genuinely random PUF from these structures by minimizing the systematic biases. Yet, our methods still maintain very high reliability. Furthermore, our proposed designs, especially the TERO-based PUFs, show promising resilience to machine learning (ML) attacks. We also suggest the bit-bias metric to estimate PUF’s complexity quickly

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

Emerging physical unclonable functions with nanotechnology

Physical unclonable functions (PUFs) are increasingly used for authentication and identification applications as well as the cryptographic key generation. An important feature of a PUF is the reliance on minute random variations in the fabricated hardware to derive a trusted random key. Currently, most PUF designs focus on exploiting process variations intrinsic to the CMOS technology. In recent years, progress in emerging nanoelectronic devices has demonstrated an increase in variation as a consequence of scaling down to the nanoregion. To date, emerging PUFs with nanotechnology have not been fully established, but they are expected to emerge. Initial research in this area aims to provide security primitives for emerging integrated circuits with nanotechnology. In this paper, we review emerging nanotechnology-based PUFs

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

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

Revisiting the high-performance reconfigurable computing for future datacenters

Modern datacenters are reinforcing the computational power and energy efficiency by assimilating field programmable gate arrays (FPGAs). The sustainability of this large-scale integration depends on enabling multi-tenant FPGAs. This requisite amplifies the importance of communication architecture and virtualization method with the required features in order to meet the high-end objective. Consequently, in the last decade, academia and industry proposed several virtualization techniques and hardware architectures for addressing resource management, scheduling, adoptability, segregation, scalability, performance-overhead, availability, programmability, time-to-market, security, and mainly, multitenancy. This paper provides an extensive survey covering three important aspects-discussion on non-standard terms used in existing literature, network-on-chip evaluation choices as a mean to explore the communication architecture, and virtualization methods under latest classification. The purpose is to emphasize the importance of choosing appropriate communication architecture, virtualization technique and standard language to evolve the multi-tenant FPGAs in datacenters. None of the previous surveys encapsulated these aspects in one writing. Open problems are indicated for scientific community as well

Chiffrement authentifié sur FPGAs de la partie reconfigurable à la partie static

Communication systems need to access, store, manipulate, or communicate sensitive information. Therefore, cryptographic primitives such as hash functions and block ciphers are deployed to provide encryption and authentication. Recently, techniques have been invented to combine encryption and authentication into a single algorithm which is called Authenticated Encryption (AE). Combining these two security services in hardware produces better performance compared to two separated algorithms since authentication and encryption can share a part of the computation. Because of combining the programmability with the performance ofcustom hardware, FPGAs become more common as an implementation target for such algorithms. The first part of this thesis is devoted to efficient and high-speed FPGA-based architectures of AE algorithms, AES-GCM and AEGIS-128, in order to be used in the reconfigurable part of FPGAs to support security services of communication systems. Our focus on the state of the art leads to the introduction of high-speed architectures for slow changing keys applications like Virtual Private Networks (VPNs). Furthermore, we present an efficient method for implementing the GF(2¹²⁸) multiplier, which is responsible for the authentication task in AES-GCM, to support high-speed applications. Additionally, an efficient AEGIS-128is also implemented using only five AES rounds. Our hardware implementations were evaluated using Virtex-5 and Virtex-4 FPGAs. The performance of the presented architectures (Thr./Slices) outperforms the previously reported ones.The second part of the thesis presents techniques for low cost solutions in order to secure the reconfiguration of FPGAs. We present different ranges of low cost implementations of AES-GCM, AES-CCM, and AEGIS-128, which are used in the static part of the FPGA in order to decrypt and authenticate the FPGA bitstream. Presented ASIC architectures were evaluated using 90 and 65 nm technologies and they present better performance compared to the previous work.Les systèmes de communication ont besoin d'accéder, stocker, manipuler, ou de communiquer des informations sensibles. Par conséquent, les primitives cryptographiques tels que les fonctions de hachage et le chiffrement par blocs sont déployés pour fournir le cryptage et l'authentification. Récemment, des techniques ont été inventés pour combiner cryptage et d'authentification en un seul algorithme qui est appelé authentifiés Encryption (AE). La combinaison de ces deux services de sécurité dans le matériel de meilleures performances par rapport aux deux algorithmes séparés puisque l'authentification et le cryptage peuvent partager une partie du calcul. En raison de la combinaison de la programmation de l'exécution de matériel personnalisé, FPGA deviennent plus communs comme cible d'une mise en œuvre de ces algorithmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux architectures d'algorithmes AE, AES-GCM et AEGIS-128 à base de FPGA efficaces et à grande vitesse, afin d'être utilisé dans la partie reconfigurable FPGA pour soutenir les services de sécurité des systèmes de communication. Notre focalisation sur l'état de l'art conduit à la mise en place d'architectures à haute vitesse pour les applications lentes touches changeantes comme les réseaux privés virtuels (VPN). En outre, nous présentons un procédé efficace pour mettre en œuvre le GF(2¹²⁸) multiplicateur, qui est responsable de la tâche d'authentification en AES-GCM, pour supporter les applications à grande vitesse. En outre, un système efficace AEGIS-128 est également mis en œuvre en utilisant seulement cinq tours AES. Nos réalisations matérielles ont été évaluées à l'aide Virtex-5 et Virtex-4 FPGA. La performance des architectures présentées (Thr. / Parts) surpasse ceux signalés précédemment. La deuxième partie de la thèse présente des techniques pour des solutions à faible coût afin de garantir la reconfiguration du FPGA. Nous présentons différentes gammes de mises en œuvre à faible coût de AES-GCM, AES-CCM, et AEGIS-128, qui sont utilisés dans la partie statique du FPGA afin de décrypter et authentifier le bitstream FPGA. Architectures ASIC présentées ont été évaluées à l'aide de 90 et 65 technologies nm et présentent de meilleures performances par rapport aux travaux antérieurs