Ringoszillator-basierender ultra-low-power Zufallszahlengenerator für passive UHF RFID Transponder

Abstract:
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Zufallszahlengenerators zur Schlüssel-Generierung in kryptographischen Anwendungen. Die vorgeschlagene Implementierung ist für den Einsatz in einem passiven UHF RFID Transponder ausgelegt und basiert auf einem 55 nm Halbleiter-Prozess von Globalfoundries. Da passive RFID Tags über keine eigenständige Energieversorgung verfügen, steht beim Schaltungsdesign, neben dem Generieren einer ausreichenden Zufälligkeit, in erster Linie ein möglichst geringer Energieverbrauch im Vordergrund. Beim Erzeugen von Schlüsseln für kryptografische Anwendungen muss sichergestellt sein, dass ein Vorhersagen der Schlüssel nicht möglich ist. Daher wird ein echter Zufallszahlengenerator (TRNG, engl. für True Random Number Generator) verwendet. Der vorgeschlagene TRNG basiert auf mehreren Ringoszillatoren, die einem echt-zufälligen Phasenrauschen unterliegen (Jitter). Durch den Vergleichen der Phasenlagen mehrerer Ringoszillatoren kann eine Extraktion der Zufälligkeit durchgeführt werden. Zusätzlich wird eine Nachverarbeitungseinheit eingesetzt, um die Zufälligkeit der Schaltung weiter zu erhöhen. Um die Zufälligkeit der simulativ erzeugten Bitfolgen bewerten zu können, kommt die NIST Statistical Test Suite zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigen eine minimale Abhängigkeit der Zufälligkeit von thermischen Effekten innerhalb des spezifizierten Bereichs. Außerdem liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine ausreichende Zufälligkeit bei allen getesteten Bitfolgen vor. Simulationen zufolge beträgt die maximale Leistungsaufnahme der gesamten Schaltung 210 nW bei 27 °C.