Gerçek DRAM aygıtlarında dörtlü etkinleştirme ile yüksek hızda gerçek rastgele sayı üretilmesi
Quac-trng: High-throughput true random number generation using quadruple row activation in commodity DRAM chips
Yazar: ATABERK OLGUN
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ERGİN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Gerçek rastgele sayı üreteçleri (-ing. TRNG), güvenlik açısından kritik kriptograﬁk uygulamalar, bilimsel benzetim ve yapay öğrenme uygulamaları gibi çeşitli alanlarda, çok miktarda rastgele sayı oluşturmak üzere kullanılmaktadır. Ancak her bilgisayar sistemi bu tür uygulamalar için güvenlik garantilerini sağlayan özel TRNG donanımı ile donatılmamıştır. Bu tür sistemlerin uygulama alanını genişletmek ve özel TRNG donanımına sahip olmayan bilgisayar sistemlerinin büyük çoğunluğu için güvenlik garantilerini sağlamak için çalışmamızda QUAC-TRNG'yi geliştirmekteyiz.

QUAC-TRNG, dikkatle tasarlanmış bir DRAM komut dizisinin art arda dört ardışık DRAM satırını etkinleştirmesi gözleminden yararlanmaktadır. Dörtlü Etkinleştirme (QUAC) birbirine zıt verilerin saklandığı dört satırı etkinleştirildiğinde DRAM bit hattı gerilimindeki net sapmayı güvenli algılama sınırlarının üzerine çıkaramadığından, bit hattı algılama yükselteçlerinin bit hattındaki değerleri rastgele değerlere yakınsamasına neden olmaktadır. 

QUAC'ın güvenilir bir şekilde gerçek rastgele değerler ürettiğini, bir DRAM üreticisinin 136 DDR4 DRAM yongasını kullanarak deneysel olarak göstermekteyiz. QUAC'a dayalı etkili bir TRNG'nin (QUAC-TRNG) nasıl geliştirileceğini açıklamaktayız. QUAC-TRNG'nin niteliğini NIST STS kullanarak değerlendirmekte ve QUAC-TRNG'nin her testi başarıyla geçtiğini göstermekteyiz. Deneysel değerlendirmelerimiz, QUAC-TRNG'nin 3,44 Gb/s (DRAM kanalı başına) hızla gerçek rastgele sayılar ürettiğini, en hızlı DRAM-tabanlı TRNG'lerin temel ve geliştirilmiş sürümlerinden sırasıyla 15,08 ve 1,41 kat daha iyi başarıma sahip olduğunu göstermektedir. QUAC-TRNG'nin, DRAM veri yolu frekansı 12 GT/s'ye eriştiğinde, en hızlı DRAM-tabanlı TRNG'nin geliştirilmiş sürümünden 2,03 kat daha hızlı olduğunu, DRAM bant genişliğini son teknolojiden daha iyi kullandığını göstermekteyiz.

Abstract:
True random number generators (TRNG) sample random physical processes to create large amounts of random numbers for various use cases, including security-critical cryptographic primitives, scientific simulations, machine learning applications, and even recreational entertainment. Unfortunately, not every computing system is equipped with dedicated TRNG hardware, limiting the application space and security guarantees for such systems. To open the application space and enable security guarantees for the overwhelming majority of computing systems that do not necessarily have dedicated TRNG hardware, we develop QUAC-TRNG.

QUAC-TRNG exploits the new observation that a carefully-engineered sequence of DRAM commands activates four consecutive DRAM rows in rapid succession. This QUadruple ACtivation (QUAC) causes the bitline sense amplifiers to non-deterministically converge to random values when we activate four rows that store conflicting data because the net deviation in bitline voltage fails to meet reliable sensing margins.

We experimentally demonstrate that QUAC reliably generates random values across 136 commodity DDR4 DRAM chips from one major DRAM manufacturer. We describe how to develop an effective TRNG (QUAC-TRNG) based on QUAC. We evaluate the quality of our TRNG using NIST STS and find that QUAC-TRNG successfully passes each test. Our experimental evaluations show that QUAC-TRNG generates true random numbers with a throughput of 3.44 Gb/s (per DRAM channel), outperforming the state-of-the-art DRAM-based TRNG by 15.08x and 1.41x for basic and throughput-optimized versions, respectively. We show that QUAC-TRNG utilizes DRAM bandwidth better than the state-of-the-art, achieving up to 2.03x the throughput of a throughput-optimized baseline when scaling bus frequencies to 12 GT/s.