PL241528B1

PL241528B1 - Metastabilnościowy generator losowy

Info

Publication number: PL241528B1
Application number: PL428403A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Gołofit; Piotr Wieczorek
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2022-10-17
Also published as: WO2019030669A1; PL428403A1; PL232441B1; PL422482A1

Abstract

Metastabilnościowy generator losowy ma multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS, do którego wyjścia (Q) dołączone jest wejście (TQ) licznika (LCZ). Do wyjścia (T) licznika (LCZ) dołączone są wejścia (T1, T2) dwóch układów pamięciowych (UP, UP2), do których wyjść (T1P, T2P) dołączone są wejścia (K2, K1) układu porównawczego (UK). Wyjścia (K, P) układu porównawczego (UK) są wyjściami (LL, PLL) metastabilnościowego generatora losowego. Wejście regulacji szybkości RS multiwibratora MOORS jest dołączone do wyjścia SS układu sterowania szybkością (USS). Wyjścia (LL, PLL) metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL, WPLL układu sterowania szybkością USS.

Description

PL 241 528 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest metastabilnościowy generator losowy przeznaczony zwłaszcza do generowania liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych.

Znany jest z opisu patentowego PL 225188 B1, metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu. Do układu pomiaru czasu dołączone jest jednocześnie wejście układu pamięciowego i pierwsze wejście układu porównawczego, którego drugie wejście dołączone jest do wyjścia układu pomiaru czasu. Wyjścia układu porównawczego stanowią wyjścia metastabilnościowego generatora losowego.

Z tego samego wynalazku znany jest metastabilnościowy generator losowy, w którym wyjście układu pomiaru czasu dołączone jest do pierwszego wejścia układu porównawczego poprzez drugi układ pamięciowy.

Celem wynalazku jest uproszczenie implementacji metastabilnościowego generatora losowego, zapewnienie możliwości implementacji wynalazku w układach programowalnych.

Istota wynalazku polega na tym, że metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego wyjścia dołączone jest jednocześnie wejście pierwszego układu pamięciowego i pierwsze wejście układu porównawczego, którego drugie wejście dołączone jest do wyjścia układu pomiaru czasu zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z oscylacyjną odpowiedzią. Dzięki temu sam multiwibrator dostarcza podstawy czasu do pomiaru czasu trwania własnej odpowiedzi, co znacznie upraszcza konstrukcję układu pomiaru czasu. Ponadto umożliwia implementację w czysto cyfrowych układach programowalnych, co umożliwia łatwe wykonywanie układu we współczesnych liniach technologicznych.

Drugie wejście układu porównawczego korzystnie jest dołączone do wyjścia układu pomiaru czasu za pośrednictwem drugiego układu pamięciowego. Takie rozwiązanie pozwala na porównywanie zapamiętanych wartości dla zapewnienia losowego wyniku, podczas gdy multiwibrator generuje kolejną wartość.

Układ pomiaru czasu korzystnie jest licznikiem. Licznik pozwala na zmierzenie czasu w prosty sposób, tj. przez zliczenie oscylacji multiwibratora z odpowiedzią oscylacyjną. Jest to względny pomiar czasu zależny od warunków pracy multiwibratora lecz zupełnie wystarczający z punktu widzenia uzyskania losowego wyniku.

Korzystnie multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią jest multiwibratorem z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością. Takie rozwiązanie umożliwia adaptację warunków generacji do zmieniających się warunków otoczenia lub ataków na system, w którym metastabilnościowy generator losowy według wynalazku jest stosowany.

Korzystnie do wejścia regulacji szybkości multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością dołączone jest wyjście sterowania szybkością układu sterowania szybkością. Układ sterowania szybkością pozwala na określenie zmieniających się warunków i wykrywanie ataków na system, w którym metastabilnościowy generator losowy według wynalazku jest stosowany.

Korzystnie układ sterowania szybkością posiada przynajmniej jedno wejście dołączone do przynajmniej jednego wyjścia metastabilnościowego generatora losowego. Takie rozwiązanie pozwala układowi sterowania szybkością na kontrolę jakości generowanych liczb.

Multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością korzystnie zawiera przynajmniej jeden multiwibrator napięciowy, którego obwód zasilający dołączony jest do wejścia regulacji szybkości multiwibratora. Takie rozwiązanie pozwala na sterowanie szybkością przez wartość napięcia zasilania bramek napięciowych.

Korzystnie multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością zawiera przynajmniej jeden multiwibrator prądowy z regulowanym źródłem prądowym, które dołączone jest do wejścia regulacji szybkości multiwibratora. Takie rozwiązanie pozwala na sterowanie szybkością przez wartość prądu zasilania bramek prądowych.

Wynalazek umożliwia implementację układu bez konieczności stosowania skomplikowanych układów pomiaru czasu czy detekcji końca fazy autonomicznej, implementację w prostych układach programowalnych oraz regulację szybkości multiwibratora z odpowiedzią oscylacyjną.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy, fig. 2 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego

PL 241 528 B1 zawierający dwa układy pamięciowe, fig. 3 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy i układ sterowania szybkością, fig. 4 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe i układ sterowania szybkością, fig. 5 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy i układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 6 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe i układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 7 przedstawia schemat blokowy napięciowego multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością, a fig. 8 - schemat blokowy prądowego multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 1 zawiera multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią MOO o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście TQ licznika LCZ. Do wyjścia T licznika LCZ dołączone jest jednocześnie wejście T1 układu pamięciowego UP i pierwsze wejście K1 układu porównawczego UK. Do wyjścia T1P układu pamięciowego UP dołączone jest drugie wejście K2 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego.

Konstrukcja multiwibratora z odpowiedzią oscylacyjną MOO sprawia, że gdy pracuje on w odpowiednim zakresie metastabilności - to znaczy odpowiednio blisko punktu metastabilności, aby odpowiedzi czasowe były różne - to odpowiedź multiwibratora ma charakter gasnących oscylacji, natomiast liczba oscylacji może być zliczona przez zwykły, lecz odpowiednio szybki licznik LCZ, który zastępuje konieczność dokonywania pomiaru czasu. Układ pamięciowy UP pozwala na zapamiętanie zliczonej przez licznik LCZ wartości, dzięki czemu układ porównawczy UK porównuje uprzednio zapamiętaną w układzie pamięciowym UP wartość z wartością bieżącą pochodzącą z licznika LCZ. W zależności od tego, która liczba oscylacji jest większa, na wyjściu K układu porównawczego UK pojawia się wartość logiczna „zero” albo „jeden”, a na wyjściu PLL informacja o tym, że porównanie dało prawidłowy wynik. Jeżeli natomiast porównywane liczby mają taką samą wartość, bądź są poza zakresem licznika, to na wyjściu PLL pojawi się informacja o błędnym wyniku. Zastosowanie tego samego multiwibratora do generowania kolejnych metastabilnościowych odpowiedzi czasowych pozwala wyeliminować problem rozrzutów technologicznych, gdy do generowania metastabilnościowych odpowiedzi czasowych wykorzystywana jest większa liczba nieidentycznych multiwibratorów.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią MOO o wyjściu danych Q, do którego dołączone jest wejście TQ licznika LCZ. Do wyjścia T licznika LCZ dołączone jest jednocześnie wejście T1 pierwszego układu pamięciowego UP i wejście T2 drugiego układu pamięciowego UP2. Wyjścia T1P i T2P układów pamięciowych UP i UP2 dołączone są do wejść K2 i K1 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego.

Konstrukcja multiwibratora z odpowiedzią oscylacyjną MOO sprawia, że gdy pracuje on w odpowiednim zakresie metastabilności - to znaczy odpowiednio blisko punktu metastabilności, aby odpowiedzi czasowe były różne - to odpowiedź multiwibratora ma charakter gasnących oscylacji, natomiast liczba oscylacji może być zliczona przez zwykły, lecz odpowiednio szybki licznik LCZ, który zastępuje konieczność dokonywania pomiaru czasu. Układy pamięciowe UP i UP2 zapamiętują kolejne zliczone przez licznik LCZ wartości, dzięki czemu układ porównawczy UK porównuje zapamiętane w układach pamięciowych wartości. W zależności od tego, która liczba oscylacji jest większa, na wyjściu K układu porównawczego UK pojawia się wartość logiczna „zero” albo „jeden”, a na wyjściu PLL informacja o tym, że porównanie dało prawidłowy wynik. Jeżeli natomiast porównywane liczby mają taką samą wartość, bądź są poza zakresem licznika, to na wyjściu PLL pojawi się informacja o błędnym wyniku. Zastosowanie tego samego multiwibratora do generowania kolejnych metastabilnościowych odpowiedzi czasowych pozwala wyeliminować problem rozrzutów technologicznych, gdy do generowania metastabilnościowych odpowiedzi czasowych wykorzystywana jest większa liczba nieidentycznych multiwibratorów.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 3 zawiera multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście TQ licznika LCZ. Do wyjścia T licznika LCZ dołączone jest jednocześnie wejście T1 układu pamięciowego UP i pierwsze wejście K1 układu porównawczego UK. Do wyjścia T1P układu pamięciowego UP dołączone jest drugie wejście K2 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z oscyla

PL 241 528 B1 cyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS posiada wejście regulacji szybkością RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Regulacja szybkości multiwibratora MOORS pozwala na minimalizację szkodliwego wpływu różnych czynników - na przykład czynników środowiskowych, typu temperatura czy napięcie zasilania, lub ataków aktywnych, typu side-channel, mających na celu zaburzenie prawidłowej pracy układu. Układ sterowania szybkością USS analizuje wyniki pomiarów środowiskowych, na podstawie których dokonuje dopasowania szybkości tak, aby uzyskać najlepsze właściwości pracy układu pod względem szybkości i losowości generowanych liczb i ciągów losowych.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 4 zawiera multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS o wyjściu danych Q, do którego dołączone jest wejście TQ licznika LCZ. Do wyjścia T licznika LCZ dołączone jest jednocześnie wejście T1 pierwszego układu pamięciowego UP i wejście T2 drugiego układu pamięciowego UP2. Wyjścia T1P i T2P układów pamięciowych UP i UP2 dołączone są do wejść K2 i K1 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS posiada wejście regulacji szybkością RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 5 ma budowę taką jak układ z fig. 3, z tą różnicą, że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

Dzięki dołączeniu wyjść metastabilnościowego generatora losowego do wejść układu sterowania szybkością USS, układ ten może dodatkowo analizować statystyki generowanych liczb i ciągów losowych, na podstawie których dokonuje dopasowania szybkości tak, aby uzyskać najlepsze właściwości pracy układu pod względem szybkości i losowości generowanych liczb i ciągów losowych.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 6 ma budowę taką jak układ z fig. 5, z tą różnicą, że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

Napięciowy multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 7, wchodzący w skład metastabilnościowego generatora losowego, stanowi napięciowy multiwibrator NM o dwóch wejściach D' i C' dołączonych do wejść D i C multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS i wyjściu Q' dołączonym do wyjścia Q multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS. Wejście dla dodatniego zasilania VDD napięciowego multiwibratora NM dołączone jest do wejścia regulacji szybkości RS multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS, natomiast wejście dla ujemnego zasilania VSS napięciowego multiwibratora NM dołączone jest do ogólnej masy układu GND.

Napięciowy multiwibrator NM w postaci przerzutnika „D”, zbudowany z klasycznych bramek logicznych czy w technice CMOS, może być regulowany pod względem szybkości przez zmianę napięcia zasilania przerzutnika. Niższe napięcie oznacza wolniejszą pracę, wyższe napięcie oznacza szybszą pracę. Napięcie zasilania może być obniżane nawet do podprogowego napięcia działania tranzystorów. Maksymalne napięcie jest określone brzegowymi parametrami pracy układu.

Prądowy multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 8, wchodzący w skład metastabilnościowego generatora losowego, stanowi regulowane źródło prądowe ISS oraz dołączona do niego część logiczna multiwibratora LM o dwóch wejściach D' i C' dołączonych do wejść D i C multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS i wyjściu Q' dołączonym do wyjścia Q multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością MOORS. Wejście regulacji szybkości RS multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią

Claims

PL 241 528 B1 z regulowaną szybkością MOORS dołączone jest do regulowanego źródła prądowego ISS. Dodatnie napięcie zasilania VD dołączone jest do części logicznej multiwibratora LM, a ogólna masa układu GND dołączona jest do regulowanego źródła prądowego ISS.

Multiwibrator MOORS zbudowany z bramek prądowych może być regulowany pod względem szybkości przez zmianę wartości prądu tych bramek. Mniejsza wartość prądu oznacza wolniejszą pracę, większa wartość prądu oznacza szybszą pracę. Źródła prądowe wykonane w postaci luster prądowych pozwalają na łatwe sterowanie całym szeregiem źródeł prądowych jednocześnie.

Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych w układach odpornych na ataki typu side-channel i zmienne środowisko pracy.

Zastrzeżenia patentowe

1. Metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego wyjścia dołączone jest jednocześnie wejście (T1) pierwszego układu pamięciowego (UP) i pierwsze wejście (K1) układu porównawczego (UK), którego drugie wejście (K2) dołączone jest do wyjścia pierwszego układu pamięciowego, znamienny tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z oscylacyjną odpowiedzią (MOO).
2. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsze wejście (K1) układu porównawczego (UK) jest dołączone do wyjścia układu pomiaru czasu za pośrednictwem drugiego układu pamięciowego (UP2).
3. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że układ pomiaru czasu jest licznikiem (LCZ).
4. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią jest multiwibratorem z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością (MOORS).
5. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 4, znamienny tym, że do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością (MOORS) dołączone jest wyjście sterowania szybkością (SS) układu sterowania szybkością (USS).
6. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 5, znamienny tym, że układ sterowania szybkością (USS) posiada przynajmniej jedno wejście (WLL, WPLL) dołączone do przynajmniej jednego wyjścia (LL, PLL) metastabilnościowego generatora losowego.
7. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością (MOORS) zawiera przynajmniej jeden multiwibrator napięciowy (NM), którego obwód zasilający (VDD) dołączony jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora (MOORS).
8. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że multiwibrator z oscylacyjną odpowiedzią z regulowaną szybkością (MOORS) zawiera przynajmniej jeden multiwibrator prądowy z regulowanym źródłem prądowym (ISS), które dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora (MOORS).