Security Aspects of Printed Electronics Applications

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

Digital and Analog Computing Paradigms in Printed Electronics

Da das Ende von Moore\u27s Gesetz schon absehbar ist, müssen neue Wege gefunden werden um den innovationsgetriebenen IT-Markt mit neuartiger Elektronik zu sättigen. Durch den Einsatz von kostengünstiger Hardware mit flexiblem Formfaktor, welche auf neuartigen Materialien und Technologien beruhen, können neue Anwendungsbereiche erschlossen werden, welche über konventionelle siliziumbasierte Elektronik hinausgehen. Im Fokus sind hier insbesondere elektronische Systeme, welche es ermöglichen Konsumgüter für den täglichen Bedarf zu überwachen - z.B. im Zusammenhang einer Qualitätskontrolle - indem sie in das Produkt integriert werden als Teil einer intelligenten Verpackung und dadurch nur begrenzte Produktlebenszeit erfordern. Weitere vorhersehbare Anwendungsbereiche sind tragbare Elektronik oder Produkte für das "Internet der Dinge". Hier entstehen Systemanforderungen wie flexible, dehnbare Hardware unter Einsatz von ungiftigen Materialien. Aus diesem Grund werden additive Technologien herangezogen, wie zum Beispiel gedruckte Elektronik, welche als komplementär zu siliziumbasierten Technologien betrachtet wird, da sie durch den simplen Herstellungsprozess sehr geringe Produktionskosten ermöglicht, und darüber hinaus auf ungiftigen und funktionalen Materialien basiert, welche auf flexible Plastik- oder Papiersubstrate aufgetragen werden können. Unter den verschiedenen Druckprozessen ist insbesondere der Tintenstrahldruck für zukünftige gedruckte Elektronikanwendungen interessant, da er eine Herstellung vor Ort und nach Bedarf ermöglicht auf Grund seines maskenlosen Druckprozesses. Da sich jedoch die Technologie der Tintenstrahl-druckbaren Elektronik in der Frühphasenentwicklung befindet, ist es fraglich ob Schaltungen für zukünftige Anwendungsfelder überhaupt entworfen werden können, beziehungsweise ob sie überhaupt herstellbar sind. Da die laterale Auflösung von Druckprozessen sich um mehrere Größenordnungen über siliziumbasierten Herstellungstechnologien befindet und des Weiteren entweder nur p- oder n-dotierte Transistoren verfügbar sind, können existierende Schaltungsentwürfe nicht direkt in die gedruckte Elektronik überführt werden. Dies führt zu der wissenschaftlichen Fragestellung, welche Rechenparadigmen überhaupt sinnvoll anwendbar sind im Bereich der gedruckten Elektronik. Die Beantwortung dieser Frage wird Schaltungsdesignern in der Zukunft helfen, erfolgreich gedruckte Schaltungen für den sich rasch entwickelnden Konsumgütermarkt zu entwerfen und zu produzieren. Aus diesem Anlass exploriert diese Arbeit verschiedene Rechenparadigmen und Schaltungsentwürfe, welche als essenziell für zukünftige, gedruckte Systeme betrachtet werden. Die erfolgte Analyse beruht auf der recht jungen "Electrolyte-gated Transistor" (EGT) Technologie, welche auf einem kostengünstigen Tintenstrahldruckverfahren basiert und sehr geringe Betriebsspannungen ermöglicht. Da bisher nur einfache Logik-Gatter in der EGT-Technologie realisiert wurden, wird in dieser Arbeit der Entwurfsraum weiter exploriert, durch die Entwicklung von gedruckten Speicherbausteinen, Lookup Tabellen, künstliche Neuronen und Entscheidungsbäume. Besonders bei dem künstlichen Neuron und den Entscheidungsbäumen wird Bezug auf Hardware-Implementierungen von Algorithmen des maschinellen Lernens gemacht und die Skalierung der Schaltungen auf die Anwendungsebene aufgezeigt. Die Rechenparadigmen, welche in dieser Arbeit evaluiert wurden, reichen von digitalen, analogen, neuromorphen Berechnungen bis zu stochastischen Verfahren. Zusätzlich wurden individuell anpassbare Schaltungsentwürfe untersucht, welche durch das Tintenstrahldruckverfahren ermöglicht werden und zu substanziellen Verbesserungen bezüglich des Flächenbedarfs, Leistungsverbrauch und Schaltungslatenzen führen, indem variable Entwurfsparameter in die Schaltung fest verdrahtet werden. Da die explorierten Schaltungen die Komplexität von bisher hergestellter, gedruckter Hardware weit übertreffen, ist es prinzipiell nicht automatisch garantiert, dass sie herstellbar sind, was insbesondere die nicht-digitalen Schaltungen betrifft. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit EGT-basierte Hardware-Prototypen hergestellt und bezüglich Flächenbedarf, Leistungsverbrauch und Latenz charakterisiert. Die Messergebnisse können verwendet werden, um eine Extrapolation auf komplexere anwendungsbezogenere Schaltungsentwürfe durchzuführen. In diesem Zusammenhang wurden Validierungen von den entwickelten Hardware-Implementierungen von Algorithmen des maschinellen Lernens durchgeführt, um einen Wirksamkeitsnachweis zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Thesis führen zu mehreren Schlussfolgerungen. Zum ersten kann gefolgert werden, dass die sequentielle Verarbeitung von Algorithmen in gedruckter EGT-basierter Hardware prinzipiell möglich ist, da, wie in dieser Arbeit dargestellt wird, neben kombinatorischen Schaltungen auch Speicherbausteine implementiert werden können. Letzteres wurde experimentell validiert. Des Weiteren können analoge und neuromorphe Rechenparadigmen sinnvoll eingesetzt werden, um gedruckte Hardware für maschinelles Lernen zu realisieren, um gegenüber konventionellen Methoden die Komplexität von Schaltungsentwürfen erheblich zu minimieren, welches schlussendlich zu einer höheren Produktionsausbeute im Herstellungsprozess führt. Ebenso können neuronale Netzwerkarchitekturen, welche auf Stochastic Computing basieren, zur Reduzierung des Hardwareumfangs gegenüber konventionellen Implementierungen verwendet werden. Letztlich kann geschlussfolgert werden, dass durch den Tintenstrahldruckprozess Schaltungsentwürfe bezüglich Kundenwünschen während der Herstellung individuell angepasst werden können, um die Anwendbarkeit von gedruckter Hardware generell zu erhöhen, da auch hier geringerer Hardwareaufwand im Vergleich zu konventionellen Schaltungsentwürfen erreicht wird. Es wird antizipiert, dass die in dieser Thesis vorgestellten Forschungsergebnisse relevant sind für Informatiker, Elektrotechniker und Materialwissenschaftler, welche aktiv im Bereich der druckbaren Elektronik arbeiten. Die untersuchten Rechenparadigmen und ihr Einfluss auf Verhalten und wichtige Charakteristiken gedruckter Hardware geben Einblicke darüber, wie gedruckte Schaltungen in der Zukunft effizient umgesetzt werden können, um neuartige auf Druckverfahren-basierte Produkte im Elektronikbereich zu ermöglichen

Characterisation and mitigation of long-term degradation effects in programmable logic

Reliability has always been an issue in silicon device engineering, but until now it has been managed by the carefully tuned fabrication process. In the future the underlying physical limitations of silicon-based electronics, plus the practical challenges of manufacturing with such complexity at such a small scale, will lead to a crunch point where transistor-level reliability must be forfeited to continue achieving better productivity. Field-programmable gate arrays (FPGAs) are built on state-of-the-art silicon processes, but it has been recognised for some time that their distinctive characteristics put them in a favourable position over application-specific integrated circuits in the face of the reliability challenge. The literature shows how a regular structure, interchangeable resources and an ability to reconfigure can all be exploited to detect, locate, and overcome degradation and keep an FPGA application running. To fully exploit these characteristics, a better understanding is needed of the behavioural changes that are seen in the resources that make up an FPGA under ageing. Modelling is an attractive approach to this and in this thesis the causes and effects are explored of three important degradation mechanisms. All are shown to have an adverse affect on FPGA operation, but their characteristics show novel opportunities for ageing mitigation. Any modelling exercise is built on assumptions and so an empirical method is developed for investigating ageing on hardware with an accelerated-life test. Here, experiments show that timing degradation due to negative-bias temperature instability is the dominant process in the technology considered. Building on simulated and experimental results, this work also demonstrates a variety of methods for increasing the lifetime of FPGA lookup tables. The pre-emptive measure of wear-levelling is investigated in particular detail, and it is shown by experiment how di fferent reconfiguration algorithms can result in a significant reduction to the rate of degradation