Metastabilnościowy generator losowy
Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki
ZESPÓŁ AUTORSKI
Politechnika Warszawska
Krzysztof Gołofit – kierownik
Piotr Z. Wieczorek
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Problemy generacji dobrych liczb losowych dotyczą między innymi słabej odporności na zmieniające się warunki pracy, podatności na ataki (zaburzające działanie generatorów), konieczności zastosowania analogowych rozwiązań, które trudno jest zaadoptować do urządzeń cyfrowych. Dzięki wynalazkowi można osiągnąć (1) wyśmienitą jakość generowanych ciągów i liczb losowych, (2) odporność na zmiany środowiskowe, w których pracuje układ (zmiany napięcia zasilania, zmiany temperatury pracy układu), (3) niewrażliwość na rozrzuty technologiczne (mikroskopijne różnice powstające w procesie produkcji układów elektronicznych, w wyniku których działanie elementów elektronicznych jest nieidealne), (4) ataki próbujące zaburzyć pracę układu (tzw. ang. side-channel attacks), (5) szerokie możliwości implementacji zarówno sprzętowej (np. wytworzenie nowego układu) jak i "programowej" (utworzenie generatora w uniwersalnych układach programowalnych), (6) dużą szybkość generowanych ciągów losowych. Dzięki temu np. urządzenia kryptograficzne wyposażone w wynalazek mogą zapewniać wysoki poziom bezpieczeństwa!
ISTOTA WYNALAZKU
Zjawisko metastabilności w układzie elektronicznym można sobie wyobrazić jako wprowadzenie układu w stan, w którym układ nie wie jak się zachować – podobnie jak byśmy próbowali ustawić nóż na jego ostrzu w stanie równowagi. Podobnie jak nie możemy przewidzieć, w którą stronę nóż się przewróci, nie wiemy czy układ odpowie logiczną jedynką czy zerem.
Większość znanych rozwiązań generatorów losowych opartych na metastabilności bazuje na stanie logicznym jako wyniku rozwiązania procesu metastabilnościowego. Jest to jednak problematyczne, ponieważ stan idealnej równowagi jest praktycznie niemożliwy do uzyskania (probabilistycznie sznse są równe 0), a im większa odchyłka od punktu równowagi tym mniej losowy jest wynik. W wynalazku nie patrzymy na ten wynik, a za to na czas, po którym się on pojawi, gdyż dużo łatwiej jest uzyskać różnice w czasach odpowiedzi układu metastabilościowego (czas przewracania się noża), które nie wymagają ani równowagi ani nawet losowej odpowiedzi stanem logicznym.
Innym problemem jest niedoskonałość wykonania elementów elektronicznych (nieidentyczność w skali nanometrów – wynikająca z rozrzutów technologicznych), pomiędzy którymi dokonujemy porównania szybkości rozwiązania procesów metastabilnościowych. W wynalazku problem ten został rozwiązany przez porównywanie kolejnych interwałów (czasów odpowiedzi układu) generowanych przez ten sam element elektroniczny (wyeliminowany został problem rozrzutów).
Jednak implementacja takiego rozwiązania jest z kolei problematyczna ze względu na konieczność zastosowania układu pomiaru i pamiętania czasów. Koncepcja według wynalazku rozwiązuje ten problem przez zastosowanie szczególnego rodzaju elementu metastabilnościowego (lecz nadal zbudowanego ze standardowych bramek elektronicznych), który posiada odpowiedź oscylacyjną. Wówczas do pomiaru czasu wystarczy odpowiednio szybki licznik oscylacji.
Dzięki temu wynalazek doskonale nadaje się do implementacji w nowoczesnych układach programowalnych (np. typu FPGA) czy układach hybrydowych lub może być oferowany jako koprocesor w układach elektronicznych.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Z uwagi na to, że wynalazek można zrealizować zarówno jako dedykowaną implementację układową lub w nowoczesnych układach programowalnych (np. FPGA) albo układach hybrydowych (łączących mikroprocesor z układem programowalnym), potencjał komercjalizacyjny jest bardzo duży, ponieważ małym kosztem można zapewnić wysokie bezpieczeństwo prawie każdego urządzenia. Dotyczy to każdego rynku, w którym istnieje potrzeba zastosowania ochrony informacji – od producentów procesorów, przez bankowość, komunikację, uwierzytelnianie, urządzenia medyczne, podpis cyfrowy, inteligentne budynki, tokeny, piloty, wirtualne pieniądze, urządzenia dostępowe, po internet rzeczy.