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Mar 20, 2023

Clave para Crypto: Memristor hecho por impresora de inyección de tinta desbloquea verdaderos generadores de números aleatorios

Por primera vez, se puede hacer un TRNG a partir de un circuito electrónico imprimible. A

Por primera vez, se puede hacer un TRNG a partir de un circuito electrónico imprimible.

Un grupo de investigadores de KAUST (Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah) ha anunciado una nueva e innovadora técnica de fabricación para lo que se conoce como "memristores", circuitos que son uno de los cuatro componentes eléctricos fundamentales, junto con resistencias, condensadores e inductores. . Se ha demostrado que la nueva técnica permite la creación de uno de los componentes esenciales de la criptografía, un generador de números aleatorios verdaderos (TRNG).

Los verdaderos generadores de números aleatorios son partes esenciales de la criptografía y, quizás de manera poco intuitiva (después de todo, ¿qué tan difícil es producir números aleatorios?), también es uno de los más propensos a fallar. Esto se debe a que es fácil que una distribución aleatoria (es decir, cuando todos los eventos posibles tienen la misma probabilidad de ocurrir) se convierta en una distribución no aleatoria.

Por lo general, los TRNG se implementan a nivel de silicio, como Ryzen de AMD y el coprocesador criptográfico (CCP) vinculado a Epyc (ahora en la iteración 5.0). Una forma de generar números aleatorios es observar fenómenos inherentemente aleatorios, como el efecto fotoeléctrico que es la base del funcionamiento de nuestras computadoras. A partir de estos efectos, se generan números aleatorios que luego sirven como base para una operación de encriptación: cada número aleatorio se traduce en una parte del mensaje encriptado, en el proceso conocido como hashing. Para poner el problema en perspectiva, considere que la división Xilinx de AMD comercializa matrices de puertas programables en campo (FPGA) cuyo objetivo es servir como verdaderos generadores de números aleatorios.

Pero los componentes eléctricos tienen límites operativos, y pequeños cambios de voltaje pueden introducir "errores" computacionales o fotoeléctricos que forman patrones. Por supuesto, cuando surgen patrones en un conjunto de números que se supone que son aleatorios, entonces ya no es aleatorio. Hay un patrón, una probabilidad ligeramente diferente de que un número sea elegido sobre el otro. Y si no es realmente aleatorio, entonces los patrones emergentes se pueden extraer, analizar y comparar con la salida cifrada... Y el camino está abierto hacia el mensaje supuestamente criptográficamente seguro.

Algunos patrones pueden surgir naturalmente, a partir de ciertos desequilibrios en el sistema que lo alejan de su estado de "equilibrio" aleatorio (como la degradación del hardware, que es en parte responsable de que tanto las CPU como las GPU experimenten caídas en la frecuencia operativa máxima sostenida a medida que envejecen). ). Hemos visto que los investigadores los explotan, extrayendo datos de patrones como la velocidad del ventilador de un sistema, por ejemplo. Pero otros pueden ser introducidos por adversarios lo suficientemente sofisticados.

El trabajo realizado por los investigadores de KAUST ahora desbloquea la fabricación de TRNG basada en memristor en un proceso similar a la impresión 3D. Excepto en lugar del filamento habitual, se depositan capas atómicamente delgadas de nitruro de boro y electrodos de plata hasta que los elementos de un memristor se apilan en su lugar. Debido a este proceso de fabricación específico, el TRNG consume energía en comparación con las alternativas generalmente integradas en la CPU, construidas a partir de circuitos costosos con millones de transistores (costosos tanto en términos de uso de energía como del espacio que ocupan en el diseño del acelerador).

"Fabricamos un memristor usando un novedoso material en capas bidimensional llamado nitruro de boro hexagonal, en el que imprimimos electrodos de plata usando una tecnología de impresión de inyección de tinta escalable y de bajo costo", dijo Pazos, investigador del equipo de KAUS. "Las propiedades únicas del 2D h-BN se mantienen después de imprimir el electrodo, lo que permite una potencia superior y una generación de señales aleatorias".

El generador TRNG resultante aparentemente estaba en línea con las expectativas del equipo: mostró el mejor rendimiento de un TRNG en términos de estabilidad de su señal aleatoria a lo largo del tiempo; mostró un consumo de energía increíblemente bajo; y, por último, lectura de circuito fácil y rápida, que permite que el TRNG basado en memristor genere 7 millones de bits aleatorios por segundo.

“Además, demostramos un circuito construido que genera números aleatorios interconectando nuestro memristor a un microcontrolador comercial y haciendo experimentos en vivo de generación de números aleatorios sobre la marcha”, agregó Pazos.

También parece que la tecnología está lista para el horario estelar tal como está, a diferencia de la mayoría de los otros avances tecnológicos. La tecnología podría implementarse fácilmente en aplicaciones de IoT (Internet de las cosas) y otros dispositivos de borde, como conjuntos de nodos de sensores.

"Nuestro método de fabricación escalable y de bajo costo que utiliza la impresión de inyección de tinta no solo permite un rendimiento excelente, sino que es clave para la integración exitosa de estos dispositivos en la electrónica compleja de bajo costo", dice Pazos. "Este trabajo demuestra el potencial de los materiales 2D como h-BN para sustentar una revolución en los dispositivos y circuitos micro y nanoelectrónicos de estado sólido debido a sus excelentes propiedades electrónicas, físicas, químicas y térmicas".

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Francisco Pires es un escritor de noticias independiente para Tom's Hardware con un lado suave para la computación cuántica.

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