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Dec 19, 2023

暗号の鍵: インクジェット プリンター製 Memristor が真の乱数生成器のロックを解除

Per la prima volta è ora possibile creare TRNG da circuiti elettronici stampabili.UN

初めて、印刷可能な電子回路から TRNG を作成できるようになりました。

KAUST (キング・アブドラ科学技術大学) の研究者グループは、抵抗器、コンデンサー、インダクターと並ぶ 4 つの基本的な電気部品の 1 つである、「メモリスタ」として知られる回路の新しい画期的な製造技術を発表しました。 。 この新しい技術により、暗号化の重要なコンポーネントの 1 つである真の乱数ジェネレーター (TRNG) の作成が可能になることが示されています。

真の乱数ジェネレーターは暗号化の重要な部分であり、おそらく直感的にはわかりませんが (結局のところ、乱数を生成するのはどれほど難しいのでしょうか?)、最も失敗しやすいものの 1 つでもあります。 これは、ランダムな分布 (つまり、考えられるすべてのイベントが発生する確率が等しい場合) が非ランダムな分布になりやすいためです。

通常、TRNG は、AMD の Ryzen や Epyc にバインドされた暗号化コプロセッサ (CCP) などのシリコン レベルで実装されます (現在イテレーション 5.0)。 乱数を生成する 1 つの方法は、コンピューターの動作の基礎となる光電効果など、本質的にランダムな現象を調べることです。 これらの効果から、暗号化操作の基礎として機能する乱数が生成されます。各乱数は、ハッシュとして知られるプロセスで、暗号化されたメッセージの一部に変換されます。 この問題をよりよく理解するために、AMD のザイリンクス部門が真の乱数ジェネレーターとして機能することを目的としたフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) を商品化していることを考えてみましょう。

しかし、電気コンポーネントには動作限界があり、わずかな電圧変化により、パターンを形成する計算上または光電的な「エラー」が発生する可能性があります。 もちろん、ランダムであるはずの数値のプールにパターンが出現した場合、それはもはや実際にはランダムではありません。 パターンがあり、ある数字が他の数字よりも選ばれる確率はわずかに異なります。 そして、それが本当にランダムでない場合は、出現したパターンを抽出、分析し、暗号化された出力と比較することができます...そして、暗号的に安全であると思われるメッセージへの道が開かれます。

いくつかのパターンは、ランダムな「平衡」状態からシステムを遠ざけるシステム内の特定の不均衡から自然に現れることがあります (ハードウェアの劣化などが原因で、CPU と GPU の両方が経年劣化に伴って最大持続動作周波数が同様に低下します)。 ）。 私たちは、これらが研究者によって悪用されているのを目にしてきました。たとえば、システムのファン速度などのパターンからデータが抽出されています。 しかし、十分に高度な攻撃者によって侵入される可能性のあるものもあります。

KAUST の研究者らの研究により、3D プリンティングと変わらないプロセスでのメモリスタベースの TRNG 製造が可能になりました。 通常のフィラメントの代わりに、窒化ホウ素と銀電極の原子的に薄い層が、メモリスタの要素がすべて所定の位置に積み重なるまで堆積されます。 この特殊な製造プロセスにより、TRNG は、数百万個のトランジスタを備えた高価な回路で構築された通常の CPU 統合型代替品と比較して電力を消費します (電力使用量とアクセラレータの設計上で占有するスペースの両方の点でコストがかかります)。

「私たちは六方晶窒化ホウ素と呼ばれる新しい二次元層状材料を使用してメモリスタを製造し、その上にスケーラブルで低コストのインクジェット印刷技術を使用して銀電極を印刷しました」とKAUSチームの研究者パゾス氏は述べています。 「2D h-BN のユニークな特性は電極の印刷後も維持され、優れた出力とランダム信号の生成が可能になります。」

結果として得られた TRNG ジェネレーターは、明らかにチームの期待と一致していました。時間の経過に伴うランダム信号の安定性の点で、TRNG の最高のパフォーマンスを示しました。 エネルギー消費が信じられないほど低いことがわかりました。 最後に、簡単かつ高速な回路読み出しにより、メモリスタベースの TRNG が 1 秒あたり 700 万ビットのランダムビットを生成できるようになります。

「さらに、当社のメモリスタを市販のマイクロコントローラに相互接続し、オンザフライで乱数生成のライブ実験を行うことにより、乱数を生成する構築された回路を実証しました」とパゾス氏は付け加えました。

また、他のほとんどの技術的ブレークスルーとは対照的に、この技術はそのままでもゴールデンタイムに向けて準備が整っているかのように見えます。 このテクノロジーは、IoT (モノのインターネット) アプリケーションやセンサー ノード アレイなどの他のエッジ デバイスに容易に展開できます。

「インクジェット印刷を使用した当社のスケーラブルで低コストの製造方法は、優れた性能を実現するだけでなく、これらのデバイスを低コストの複雑なエレクトロニクスに統合する鍵となります」とパゾス氏は言います。 「この研究は、h-BN のような 2D 材料が、その優れた電子的、物理的、化学的、熱的特性により固体マイクロおよびナノ電子デバイスおよび回路の革命を支える可能性を実証しています。」

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Francisco Pires は、量子コンピューティングのソフト面を持つ Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターです。

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