A New Methodology to Manage FPGA Distributed Memory Content via Bitstream for Xilinx ZYNQ Devices

This paper proposes a methodology to access data and manage the content of distributed memories in FPGA designs through the configuration bitstream. Thanks to the methods proposed, it is possible to read and write the data content of registers without using the in/out ports of registers in a straightforward fashion. Hence, it offers the possibility of performing several operations, such as, to load, copy or compare the information stored in registers without the necessity of physical interconnections. This work includes two flows that simplify the designing process when using the proposed approach: while the first enables the protection or unprotection of writing on different partial regions through the bitstream, the second permits homogeneous instances of a design implemented in different reconfigurable regions to be obtained without losing efficiency. The approach is based and has been physically validated on the ZYNQ from Xilinx, and when using partially reconfigurable designs, it does not affect the hardware overhead nor the maximum operating frequency of the design.This work has been supported, within the fund for research groups of the Basque university system IT1440-22, by the Department of Education and, within PILAR ZE-2020/00022 and COMMUTE ZE-2021/00931 projects, by the Hazitek program, both of the Basque Government; the latter also by the Ministerio de Ciencia Innovación of Spain through the Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) within the projects IDI-20201264 and IDI-20220543, and through the Fondo Europeo de Desarrollo Regional 2014–2020 (FEDER funds)

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

FPGA based remote code integrity verification of programs in distributed embedded systems

The explosive growth of networked embedded systems has made ubiquitous and pervasive computing a reality. However, there are still a number of new challenges to its widespread adoption that include scalability, availability, and, especially, security of software. Among the different challenges in software security, the problem of remote-code integrity verification is still waiting for efficient solutions. This paper proposes the use of reconfigurable computing to build a consistent architecture for generation of attestations (proofs) of code integrity for an executing program as well as to deliver them to the designated verification entity. Remote dynamic update of reconfigurable devices is also exploited to increase the complexity of mounting attacks in a real-word environment. The proposed solution perfectly fits embedded devices that are nowadays commonly equipped with reconfigurable hardware components that are exploited to solve different computational problems

Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

Dependable Dynamic Partial Reconfiguration with minimal area & time overheads on Xilinx FPGAS

Thanks to their flexibility, FPGAs are nowadays widely used to implement digital systems' prototypes and, more frequently, their final releases. Reconfiguration traditionally required an external controller to upload contents in the FPGA. Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) opens new horizons in FPGAs' applications, providing many new utilization paradigms, as it enables an FPGA to reconfigure itself: no external controller is required since it can be included in the FPGA. However, DPR also introduces reliability issues related to errors in the partial reconfiguration bitstreams. FPGA manufacturers currently provide solutions that are not efficient. In this paper new DfD (Design for Dependability) techniques are proposed. Exploiting information density of configuration data, they improve the performance while providing the same reliability characteristics as the previous one

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