30739

طراحي و تحليل توابع فيزيكي غير‌قابل همسان‌سازي با استفاده از سلول‌هاي تمام مغناطيسي

دكتري

مهندسي برق الكترونيك

1396

1402/11/15

دكتر ستار ميرزاكوچكي

دكتر مهدي فاضلي و دكتر محمدرضا طريحي

مهندسي برق

احراز اصالت مدارات مجتمع و پروتكل‌هاي رمزنگاري ايمن مبتني بر سخت‌افزار اهميت زيادي در امنيت سخت‌افزار دارند. كاربرد كارت‌هاي هوشمند، برچسب‌هاي RFID و IoT در حال گسترش است و ارتباطات ايمن بين اين دستگاه‌ها از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. همچنين، از جمله محدوديت‌هاي كاربردهاي با منابع محدود، توان مصرفي و مساحت مدار مجتمع است كه نياز به پروتكل‌هاي رمزنگاري سبك را ايجاد مي‌كند. توابع فيزيكي غيرقابل همسان‌سازي (PUF) نقش قابل توجهي در دستيابي به اين هدف دارند. با توجه به مشكلات فناوري CMOS خصوصاً در ابعاد زير 100 نانومتر، به منظور بهبود سرعت راه‌اندازي مجدد، امنيت داده‌ها و كاهش توان مصرفي ايستا اخيراً طراحي مدارات PUF با استفاده از عناصر نانومتري مغناطيسي مورد توجه قرار گرفته است. لذا در دستيابي به پياده‌سازي الگوريتم‌هاي رمزنگاري بهينه و ايمن در كابرد IoT با منابع محدود، رساله پيش رو بر روي بررسي و طراحي مدارات PUF مبتني بر عناصر نانومغناطيسي متمركز خواهد شد. بدين منظور ابتدا دو ساختار PUF تمام مغناطيسي پيشنهاد شده است كه ساختار اول PUF داور و ساختار دوم PUF مبتني بر حافظه است. در ساختار داور تمام مغناطيسي با حفظ مشخصات مطلوب مانند تصادفي بودن و يكتايي، قابليت اطمينان، توان مصرفي و سربار سخت‌افزاري را در مقايسه با ساير مدارات PUF داور به ميزان حداكثر 270 برابر بهبود داده است. همچنين ساختار PUF مبتني بر حافظه نيز در عين ارائه مشخصات امنيتي مشابه در مقايسه با ساختارهاي مقايسه شده با كاهش توان مصرفي و مساحت هر سلول حافظه به ميزان 3 و چند ده برابر بهبود قابل توجهي داشته است. از ديگر نوآوري‌هاي رساله مي‌توان به تركيب يك ساختار PUF مبتني بر حافظه با مدار محاسبه-در-حافظه (CIM) جهت افزايش امنيت ناشي از توليد كليد و همچنين محاسبات رمزنگاري در خود حافظه بدون اختلال در داده‌هاي حافظه كه منجر به يك ساختار سه حالته گرديده است اشاره كرد. با توجه به اينكه پياده‌سازي كل الگوريتم رمزنگاري از خواندن داده‌ها از حافظه تا توليد كليد و عمليات رمزنگاري در خود ساختار حافظه انجام مي‌شود و نياز به مدار محاسبه و بافر اضافي براي حفظ داده‌ها حذف شده است، توان مصرفي و مساحت در مقايسه با ساير ساختارهايي كه مدارات جداگانه دارند بسيار كاهش يافته و امنيت به‌طور قابل توجهي افزايش مي‌يابد.

1403/01/31

Design Physical Unclonable Functions based on Pure Magnetic Cells

1/1/1900 12:00:00 AM

Authenticating of integrated circuits and secure hardware-based encryption protocols play a crucial role in hardware security. The use of smart cards, RFID tags, and the Internet of Things (IoT) is expanding, and secure communication between these devices is of paramount importance. Additionally, among the constraints of applications with limited resources, power consumption, and integrated circuit area, the need for lightweight encryption protocols arises. Physically Unclonable Functions (PUFs) play a significant role in achieving this goal. Considering the challenges of CMOS technology, especially in dimensions below 100 nanometers, recent efforts have focused on designing PUF circuits using nanoscale magnetic elements to improve boot-up speed, data security, and reduce static power consumption. Therefore, in achieving optimal and secure encryption algorithms in IoT applications with limited resources, this thesis will focus on the examination and design of PUF circuits based on nanomagnetic elements. To this end, two structures of all-magnetic PUFs are proposed, where the first structure is a Delay-based PUF, and the second structure is Memory-based PUF. The Delay-based PUF structure, maintaining desirable characteristics such as randomness and uniqueness, has improved reliability, power consumption, and area overhead up to 270 times compared to other Delay PUF circuits. Additionally, the Memory-based PUF structure, while providing similar security characteristics compared to the referenced structures, has significantly improved power consumption and the area of each memory cell by 3 and 600 times, respectively. Another innovation in the thesis is the combination of a Memory-based PUF structure with a Compute-In-Memory (CIM) circuit to increase security resulting from key generation and encryption computations within the memory itself without disturbance to stored data. This has led to a thriple-mode structure. Considering that the implementation of the entire encryption algorithm, from reading data from memory to key generation and encryption operations, is performed within the memory structure, eliminating the need for separate computation circuits and additional buffers to preserve data, power consumption and area have significantly reduced compared to other structures with separate circuits, resulting in a noticeable increase in security.

توابع فيزيكي غيرقابل تكثير , حافظه‌هاي غير فرار نوظهور , سلول‌هاي تمام مغناطيسي , سخت‌افزارهاي رمزنگاري

Physical Unclonable Function (PUF) , emerging Nonvolatile Memories , hardware security , pure magnetic cells

Maryam Akbari

Dr. Sattar Mirzakuchaki