True random number generation and evaluation using silicon die process variations in FPGAs
| dc.contributor.author | Fotos, Theophilos | en |
| dc.contributor.author | Φώτος, Θεόφιλος | el |
| dc.date.accessioned | 2023-01-31T11:27:50Z | |
| dc.date.available | 2023-01-31T11:27:50Z | |
| dc.identifier.uri | https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/32302 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.26268/heal.uoi.12113 | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States | * |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/ | * |
| dc.subject | True random number generator | en |
| dc.subject | Ring oscillators | en |
| dc.subject | Entropy source | en |
| dc.subject | FPGA | en |
| dc.subject | Γεννήτρια πραγματικά τυχαίων αριθμών | el |
| dc.subject | Δακτυλιοειδείς ταλαντωτές | el |
| dc.subject | Πηγή εντροπίας | el |
| dc.subject | Ανομοιογένεια υποστρώματος πυριτίου | el |
| dc.title | True random number generation and evaluation using silicon die process variations in FPGAs | en |
| dc.title | Ανάπτυξη και αξιολόγηση γεννήτριας πραγματικά τυχαίων αριθμών με FPGA αξιοποιώντας την ανομοιογένεια του υποστρώματος του πυριτίου | el |
| dc.type | masterThesis | * |
| dc.type | info:eu-repo/semantics/masterThesis | * |
| heal.abstract | The Purpose of this MSc thesis is the implementation and evaluation of a True Random Number Generator (TRNG) in an FPGA, using Ring Oscillators. The particular design attempts to leverage the inherent differences found across different regions of silicon on the same chip, so called Process (P) varia tions, along with global and local Voltage (V) variations and local and global Tem perature (T) variations, as sources of randomness. The effect that is observed on the ring oscillators’ behavior as a result of those variations is the formation of sig nificant oscillation period variation, also known as Jitter, or Phase Noise. A simplified design was first implemented and tested to observe the non-de terministic behavior of the Ring Oscillators, and demonstrate their frequency’s sensitivity to substrate Process variations, Voltage supply, and Temperature. Following this, a group of 16 Ring Oscillators were implemented in a Zynq Ul trascale+ MPSoC FPGA evaluation board, to yield a 16-bit true random number ouput. A 16-bit wide output offers certain advantages when used in an evaluation circuit that simplify the testing circuit’s implementation. A programmable sampler that is used to undersample (decimate) the Rings’ output, was developed, and different sampling rates were tested to observe loss/gain of entropy. Finally, a Statistical Engine was implemented, that calculates the first 10 raw statistical mo ments and the output stream’s bias and captures the distribution of the distance between consecutive instances of ’1’ in the output bits, which for a truly random sequence should approximate a Binomial distribution. The TRNG device was evaluated using the synthesized statistical engine, and was first tested in a standalone configuration, without any Post Processing, for different ring lengths and sampling rates. As a result of the theoretical and statistical analysis conducted, medium sized rings were found to be the best can didates for use in a True Random Number Generator, due to them having re duced bias compared to small rings, and yielding greater random number pro duction rates than their largest counterparts. When a Post Processing stage is attached to the TRNG’s output, small rings become the ideal candidates for random number generation, due to elimination of most of the bias combined with increased data rates and reduced silicon real estate utilization. | en |
| heal.abstract | Η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία αυτή αφορά τον σχεδιασμό, υλοποίηση και αξιολόγηση μιας γεννήτριας πραγματικά τυχαίων αριθμών (TRNG, True Random Number Generator, όπως συνήθως αποκαλείται) μέσα σε ένα FPGA. Επιπρόσθετα, περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός συστήματος αξιολόγησης της γεννήτριας ελέγχοντας την απόκλισής της από την ιδανική τυχαιότητα. Στο τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης, και εκφράζονται περαιτέρω ιδέες για πιθανή μελλοντική βελτίωση του συστήματος και του χαρακτηρισμού του. Η παραγωγή τυχαίων αριθμών έχει μεγάλο ενδιαφέρον στα πλαίσια αρκετών καθημερινών διαδικασιών. Κάθε συναλλαγή που συμβαίνει μέσα σε ένα ψηφιακό δίκτυο ή γενικότερα μεσω ψηφιακής διασύνδεσης των συναλλασσομένων, βασίζεται εκτενώς σε διάφορες κρυπτογραφικές υποδομές. Είτε πρόκειται περί μηνύματος SMS, σύνδεσης δύο συσκευών μέσω Bluetooth, σύνδεση στο διαδίκτυο και εξακρίβωση της αυθεντικότητας μιας ιστοσελίδας που προσπελάζεται, είτε για τραπεζική συναλλαγή, η κρυπτογραφία αποτελεί σημαντικό μέρος τους, για λόγους όπως προφύλαξη από κακόβουλη δράση/απάτη. Το κρυπτογραφικό λογισμικό, που λειτουργεί συνεχώς στο παρασ κήνιο ώστε να διασφαλίσει την ακεραιότητα των συναλλαγών αυτών, πάντα βασίζεται σε μια πηγή πραγματικών τυχαίων αριθμών, ή αλλιώς μιας πηγής εντροπίας [10]. Μια καλή πηγή εντροπίας πρέπει να παρέχει αρκετούς πραγματικά τυχαίους αριθμούς για τις ανάγκες των εφαρμογών που εξυπηρετεί, ώστε να μην επέλθει εξάντληση της. Επίσης επιθυμητό είναι να είναι σχετικά αναίσθητη σε ένα μεγάλο εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλα περιβάλλοντα και εφαρμογές. Πηγές εντροπίας που βασίζονται σε κλασσικό θερμικό θόρυβο εντός ενός κυκλώματος, επί παραδείγματι, θεωρούνται αρκετά τυχαίες όταν λειτουργούν σωστά, είναι όμως ανάγκη η λεπτή ρύθμιση των παραμέτρων τους και ο συχνός έλεγχος της ορθής τους λειτουργίας, και είναι επιπλέον ευαίσθητες σε περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία. Στόχος λοιπόν της εργασίας είναι η δημιουργία ενός συστήματος που παραμένει ευσταθες χωρίς συνεχή έλεγχο, και είναι εύκολα επεκτάσιμο ώστε να παράσχει αυθαίρετα μεγάλους ρυθμούς παραγωγής τυχαίων αριθμών. Ιδανικό στην προκειμένη περίπτωση στοιχείο για την εκπλήρωση αυτού του στόχου φάνηκε ένα κύκλωμα που καλείται δακτυλιοειδής ταλαντωτής [11]. | el |
| heal.academicPublisher | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Φυσικής | el |
| heal.academicPublisherID | uoi | |
| heal.access | free | |
| heal.advisorName | Μάνθος, Νικόλαος | el |
| heal.classification | FPGA | |
| heal.committeeMemberName | Μάνθος, Νικόλαος | el |
| heal.committeeMemberName | Φουντάς, Κωνσταντίνος | el |
| heal.committeeMemberName | Ευαγγέλου, Ιωάννης | el |
| heal.dateAvailable | 2023-01-31T11:28:50Z | |
| heal.fullTextAvailability | true | |
| heal.language | en | |
| heal.numberOfPages | 155 σ. | |
| heal.publicationDate | 2022 | |
| heal.recordProvider | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών | el |
| heal.type | masterThesis | |
| heal.type.el | Μεταπτυχιακή εργασία | el |
| heal.type.en | Master thesis | en |
Αρχεία
Πρωτότυπος φάκελος/πακέτο
1 - 1 of 1
Φόρτωση...
- Ονομα:
- Μ.Ε. ΦΩΤΟΣ ΘΕΟΦΙΛΟΣ 2022.pdf
- Μέγεθος:
- 27.87 MB
- Μορφότυπο:
- Adobe Portable Document Format
- Περιγραφή:
Φάκελος/Πακέτο αδειών
1 - 1 of 1
Φόρτωση...
- Ονομα:
- license.txt
- Μέγεθος:
- 3.22 KB
- Μορφότυπο:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Περιγραφή: