Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Multi-Beam Strategies for the Optimization of the Selective Laser Melting Process

The additive manufacturing of metal parts is of increasing importance for various industry sectors, but processes like selective laser melting are still lacking of robustness especially in the case of hard to process materials. The local adjustment of temperature fields around the melt pool seems promising to decrease melt pool and stress related defects because the boundary conditions can be tailored to positively influence the melt pool dynamics and lifetime as well as the temperature gradients which are the main reason for distortion and cracking. Therefore a selective laser melting laboratory machine was built up which features two independent lasers and beam deflection units which are adapted to synchronization. To discuss the usability of different synchronized multi-beam strategies for further process improvement, computational and experimental evaluations are used to investigate the strategies‘ influences on the process dynamics of the selective laser melting process.Mechanical Engineerin

Der Farbsortierroboter

Wie seit 2013 jedes Jahr fand auch 2019 wieder das Lego Mindstorms Projektseminar der Otto von Guericke Universität Magdeburg statt, es gab wieder viele Projektideen, welche Ausgearbeitet, Realisiert und am Ende vor einer Jury und Studenten vorgestellt wurden. So auch der Farbsortierroboter, mit welchem sich in diesem Paper befasst wird. Seine Aufgabe ist es Lego Steine zu scannen und anschließend durch einen Mechanismus nach Farben einzusortieren. Der Farbsortierer brachte ein paar Probleme bei Bau und Programmierung mit sich, auf diese Probleme und ihre Lösungen wird im weiteren Verlauf des Papers eingegangen

The pricing of volatility risk in the US equity market

We analyze whether the pricing of volatility risk depends on the asset pricing framework applied in the tests, the specified volatility proxies, and the portfolio sorts used for spanning the asset universe. For this purpose, we compare the results using a macroeconomic and fundamental based asset pricing model using three proxies of volatility and uncertainty, using size/value sorted and industry sector portfolios. Our results reveal that the marginal pricing effect of the VIX volatility factor is strong and statistically significant throughout the models and specifications, while the effect of an EGARCH-based volatility factor is mixed, mostly smaller but with the correct sign. In most cases, the EGARCH factor does not impair the pricing effect of the VIX. The portfolio sorts have a substantial impact on the volatility premiums in both model frameworks. The size of the volatility risk premium is more uniform across the models if the industry sector portfolio sort is used. Finally, the size/value portfolio sort generates larger volatility risk premiums for both models

Particles held by springs in a linear shear flow exhibit oscillatory motion

The dynamics of small spheres, which are held by linear springs in a low Reynolds number shear flow at neighboring locations is investigated. The flow elongates the beads and the interplay of the shear gradient with the nonlinear behavior of the hydrodynamic interaction among the spheres causes in a large range of parameters a bifurcation to a surprising oscillatory bead motion. The parameter ranges, wherein this bifurcation is either super- or subcritical, are determined.Comment: 4 pages, 5 figure

Intra-annual radial growth and water relations of trees: implications towards a growth mechanism

There is a missing link between tree physiological and wood-anatomical knowledge which makes it impossible mechanistically to explain and predict the radial growth of individual trees from climate data. Empirical data of microclimatic factors, intra-annual growth rates, and tree-specific ratios between actual and potential transpiration (T PET−1) of trees of three species (Quercus pubescens, Pinus sylvestris, and Picea abies) at two dry sites in the central Wallis, Switzerland, were recorded from 2002 to 2004 at a 10 min resolution. This included the exceptionally hot and dry summer of 2003. These data were analysed in terms of direct (current conditions) and indirect impacts (predispositions of the past year) on growth. Rain was found to be the only factor which, to a large extent, consistently explained the radial increment for all three tree species at both sites and in the short term as well. Other factors had some explanatory power on the seasonal time-scale only. Quercus pubescens built up much of its tree ring before bud break. Pinus sylvestris and Picea abies started radial growth 1-2 weeks after Quercus pubescens and this was despite the fact that they had a high T PET−1 before budburst and radial growth started. A high T PET−1 was assumed to be related to open stomata, a very high net CO2 assimilation rate, and thus a potential carbon (C)-income for the tree. The main period of radial growth covered about 30-70% of the productive days of a year. In terms of C-allocation, these results mean that Quercus pubescens depended entirely on internal C-stores in the early phase of radial growth and that for all three species there was a long time period of C-assimilation which was not used for radial growth in above-ground wood. The results further suggest a strong dependence of radial growth on the current tree water relations and only secondarily on the C-balance. A concept is discussed which links radial growth over a feedback loop to actual tree water-relations and long-term affected C-storage to microclimat

Physiological Effects of Training in Elite German Winter Sport Athletes: Sport Specific Remodeling Determined Using Echocardiographic Data and CPET Performance Parameters

Nine ski mountaineering (Ski-Mo), ten Nordic-cross country (NCC), and twelve world elite biathlon (Bia) athletes were evaluated for cardiopulmonary exercise test (CPET) performance and pronounced echocardiographic physiological cardiac remodeling as a primary aim of our descriptive preliminary report. In this context, a multicenter retrospective analysis of two-dimensional echocardiographic data including speckle tracking of the left ventricle (LV-GLS) and CPET performance analysis was performed in 31 elite world winter sports athletes, which were obtained during the annual sports medicine examination between 2020 and 2021. The matched data of the elite winter sports athletes (14 women, 17 male athletes, age: 18-32 years) were compared for different CPET and echocardiographic parameters, anthropometric data, and sport-specific training schedules. Significant differences could be revealed for left atrial (LA) remodeling by LA volume index (LAVI, p = 0.0052), LV-GLS (p = 0.0003), and LV mass index (LV Mass index, p = 0.0078) between the participating disciplines. All participating athletes showed excellent performance data in the CPET analyses, whereby significant differences were revealed for highest maximum respiratory minute volume (VE (maximum)) and the maximum oxygen pulse level across the participating athletes. This study on sport specific physiological demands in elite winter sport athletes provides new evidence that significant differences in CPET and cardiac remodeling of the left heart can be identified based on the individual athlete's training schedule, frequency, and physique

Akupunkturbehandlungsmodalitäten bei künstlicher Befruchtung – ein Vergleich der Behandlungspraxis in schweizerischen, deutschen und österreichischen Kinderwunschzentren mit Erhebungen in randomisierten kontrollierten Studien

One in 5 couples is affected by infertility. To increase the effectiveness of assisted reproductive technology (ART) adjuvant acupuncture treatments are frequently administered. However, little is known about acupuncture treatment modalities employed in fertility centers. The aim of our study was to assess modalities of acupuncture treatments in fertility centers and compare them with investigated acupuncture treatments in randomized controlled trials (RCTs) related to ART.Unerfüllter Kinderwunsch belastet jedes fünfte Paar. Zur Wirksamkeitssteigerung der künstlichen Befruchtung werden oftmals Akupunkturbehandlungen durchgeführt. Wenig ist über die Akupunkturbehandlungsmodalitäten in Kinderwunschzentren bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese zu erfassen und mit den in randomisierten kontrollierten Studien (RCTs) untersuchten Akupunkturbehandlungsmodalitäten zu vergleichen. Methoden: 180 Kinderwunschkliniken, die auf den Webseiten der schweizerischen, deutschen und österreichischen reproduktionsmedizinischen Vereinigungen aufgeführt waren, wurden zur Teilnahme an einer Onlinebefragung über das Akupunkturangebot bei künstlicher Befruchtung eingeladen. Die Umfrageergebnisse wurden den Angaben aus 17 RCTs gegenübergestellt. Ergebnisse: Akupunktur wird von 33 (38,4%) aller an der Umfrage beteiligten Kinderwunschkliniken (n = 86) angeboten (Rücklaufquote = 47,8%). Die Wahl der Akupunkturpunkte ist in 39,4% der Kliniken standardisiert, in 24,2% semi-standardisiert und in 27,3% erfolgt sie individuell nach TCM-Diagnose. Körperakupunktur mit Nadelstimulierung wurde am häufigsten genannt (84,8%). In einigen Kliniken wird ergänzend zur Körperakupunktur auch Ohrakupunktur (24,2%) und Moxibustion (21,2%) angewendet. Die Leistungserbringer sind überwiegend ärztliche Akupunkturtherapeuten (84,8%). Im Vergleich zu den RCTs wurden große Unterschiede hinsichtlich Bestimmung der Akupunkturpunkte, Stimulierungsverfahren und beruflichem Hintergrund der Akupunktur-Leistungserbringer festgestellt. Schlussfolgerungen: Weniger als 40% aller Akupunktur anbietenden Kinderwunschkliniken im deutschsprachigen Raum verwenden standardisierte Akupunkturpunkteprotokolle. Um die externe Validität der Aku- punkturforschung in der Reproduktionsmedizin zu erhöhen und die klinische Wirksamkeit dieser adjuvanten Behandlungsform zu untersuchen, sollten in zukünftigen Studien semi-standardisierte und individuelle Bestimmungen der Akupunkturpunkte berücksichtigt und der Einsatz von angelerntem Personal vermieden werde

Supervised Speaker Diarization Using Random Forests: A Tool for Psychotherapy Process Research

Speaker diarization is the practice of determining who speaks when in audio recordings. Psychotherapy research often relies on labor intensive manual diarization. Unsupervised methods are available but yield higher error rates. We present a method for supervised speaker diarization based on random forests. It can be considered a compromise between commonly used labor-intensive manual coding and fully automated procedures. The method is validated using the EMRAI synthetic speech corpus and is made publicly available. It yields low diarization error rates (M: 5.61%, STD: 2.19). Supervised speaker diarization is a promising method for psychotherapy research and similar fields

Embedded Analog Physical Unclonable Function System to Extract Reliable and Unique Security Keys

Internet of Things (IoT) enabled devices have become more and more pervasive in our everyday lives. Examples include wearables transmitting and processing personal data and smart labels interacting with customers. Due to the sensitive data involved, these devices need to be protected against attackers. In this context, hardware-based security primitives such as Physical Unclonable Functions (PUFs) provide a powerful solution to secure interconnected devices. The main benefit of PUFs, in combination with traditional cryptographic methods, is that security keys are derived from the random intrinsic variations of the underlying core circuit. In this work, we present a holistic analog-based PUF evaluation platform, enabling direct access to a scalable design that can be customized to fit the application requirements in terms of the number of required keys and bit width. The proposed platform covers the full software and hardware implementations and allows for tracing the PUF response generation from the digital level back to the internal analog voltages that are directly involved in the response generation procedure. Our analysis is based on 30 fabricated PUF cores that we evaluated in terms of PUF security metrics and bit errors for various temperatures and biases. With an average reliability of 99.20% and a uniqueness of 48.84%, the proposed system shows values close to ideal