blog

Mar 20, 2023

Chave para a criptografia: Memristor feito por impressora a jato de tinta desbloqueia verdadeiros geradores de números aleatórios

Pela primeira vez, um TRNG pode ser feito a partir de um circuito eletrônico imprimível. A

Pela primeira vez, um TRNG pode ser feito a partir de um circuito eletrônico imprimível.

Um grupo de pesquisadores da KAUST (King Abdullah University of Science and Technology) anunciou uma nova técnica de fabricação inovadora para o que é conhecido como "memristors" - circuitos que são um dos quatro componentes elétricos fundamentais, juntamente com resistores, capacitores e indutores . A nova técnica demonstrou permitir a criação de um dos componentes essenciais da criptografia, um Gerador de Números Aleatórios Verdadeiros (TRNG).

Verdadeiros geradores de números aleatórios são partes essenciais da criptografia e, talvez de forma não intuitiva (afinal, quão difícil é produzir números aleatórios?), também é um dos mais propensos a falhas. Isso porque é fácil para uma distribuição aleatória (isto é, quando todos os eventos possíveis têm a mesma chance de acontecer) se tornar uma distribuição não aleatória.

Normalmente, os TRNGs são implementados no nível do silício, como o Ryzen da AMD e o Coprocessador Criptográfico (CCP) vinculado à Epyc (agora na iteração 5.0). Uma maneira de gerar números aleatórios é observar fenômenos inerentemente aleatórios, como o efeito fotoelétrico que é a base da operação de nossos computadores. A partir desses efeitos, são gerados números aleatórios que servem de base para uma operação de criptografia - cada número aleatório se traduz em parte da mensagem criptografada, no processo conhecido como hashing. Para melhor colocar o problema em perspectiva, considere que a divisão Xilinx da AMD comercializa Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) cujo objetivo é servir como verdadeiros geradores de números aleatórios.

Mas os componentes elétricos têm limites operacionais e pequenas mudanças de voltagem podem introduzir "erros" computacionais ou fotoelétricos que formam padrões. É claro que, quando surgem padrões em um conjunto de números que deveriam ser aleatórios, eles não são mais aleatórios. Existe um padrão, uma probabilidade ligeiramente diferente de um número ser escolhido em detrimento do outro. E se não for realmente aleatório, então os padrões emergentes podem ser extraídos, analisados ​​e comparados com a saída criptografada... E o caminho está aberto para a mensagem supostamente criptograficamente segura.

Alguns padrões podem surgir naturalmente, a partir de certos desequilíbrios no sistema que o afastam de seu estado de "equilíbrio" aleatório (como degradação de hardware, que é parcialmente responsável por CPUs e GPUs, ambas vendo quedas na frequência operacional máxima sustentada à medida que envelhecem ). Vimos aqueles sendo explorados por pesquisadores - extraindo dados de padrões como a velocidade do ventilador de um sistema, por exemplo. Mas outros podem ser introduzidos por adversários bastante sofisticados.

O trabalho feito pelos pesquisadores da KAUST agora desbloqueia a fabricação de TRNG baseada em memristor em um processo não muito diferente da impressão 3D. Exceto, em vez do filamento usual, camadas atomicamente finas de nitreto de boro e eletrodos de prata são depositadas até que todos os elementos de um memristor se encaixem no lugar. Devido a esse processo de fabricação específico, o TRNG consome energia em comparação com as alternativas geralmente integradas à CPU, construídas a partir de circuitos caros com milhões de transistores (caros tanto em termos de uso de energia quanto de espaço que ocupam no design do acelerador).

"Fabricamos um memristor usando um novo material em camadas bidimensionais chamado nitreto de boro hexagonal, no qual imprimimos eletrodos de prata usando uma tecnologia de impressão a jato de tinta escalável e de baixo custo", disse Pazos, pesquisador da equipe da KAUS. "As propriedades exclusivas do 2D h-BN são mantidas após a impressão do eletrodo, permitindo uma potência superior e geração de sinal aleatório."

O gerador TRNG resultante estava aparentemente em linha com as expectativas da equipe: mostrou o melhor desempenho de um TRNG em termos de estabilidade de seu sinal aleatório ao longo do tempo; apresentou um consumo de energia incrivelmente baixo; e, finalmente, leitura de circuito fácil e rápida, permitindo que o TRNG baseado em memristor gere 7 milhões de bits aleatórios por segundo.

“Além disso, demonstramos um circuito construído que gera números aleatórios interconectando nosso memristor a um microcontrolador comercial e fazendo experimentos ao vivo de geração de números aleatórios em tempo real”, acrescentou Pazos.