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Tunnel FET-based ultra-lightweight reconfigurable TRNG and PUF design for resource-constrained internet of things
International Journal of Circuit Theory and Applications ( IF 1.8 ) Pub Date : 2021-04-21 , DOI: 10.1002/cta.3030 Aditya Japa 1 , Manoj Kumar Majumder 1 , Subhendu K. Sahoo 2 , Ramesh Vaddi 3
International Journal of Circuit Theory and Applications ( IF 1.8 ) Pub Date : 2021-04-21 , DOI: 10.1002/cta.3030 Aditya Japa 1 , Manoj Kumar Majumder 1 , Subhendu K. Sahoo 2 , Ramesh Vaddi 3
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Conventional complementary metal oxide semiconductor (CMOS)-based dedicated true random number generator (TRNG) and physically unclonable function (PUF) designs have exhibited higher energy consumption and large area overhead with technology scaling. In contrast, this paper for the first time presents emerging tunnel field-effect transistor (TFET)-based ultra-lightweight reconfigurable TRNG and PUF design. A unique methodology is proposed that considers p-i-n forward current characteristics to generate random keys for PUF and TRNG designs. Leveraging the p-i-n forward current of TFET, a ring oscillator (RO) is designed that exhibits variation in the operating frequency and acts as the main source of entropy for both PUF and TRNG. The TRNG in the proposed design is robust and passed all the National Institute of Standards and Technology (NIST) tests. Considering the variation in p-i-n forward current, the uniqueness of PUF is calculated as 47.5% and 46% at a supply voltage of 0.5 and 0.45 V, respectively. Moreover, PUF achieves high reliability of 82% and 88.7% with supply voltage and temperature variations, respectively. The proposed design is proved to be compact with relatively lower gate count and shows low energy consumption of 4.8 pJ/bit at 0.5-V supply voltage. With these performance metrics, the proposed design is highly suitable for resource-constrained internet of things (IoT).
中文翻译：
基于隧道 FET 的超轻量级可重构 TRNG 和 PUF 设计，用于资源受限的物联网
传统的基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的专用真随机数发生器 (TRNG) 和物理不可克隆功能 (PUF) 设计随着技术扩展表现出更高的能耗和大面积开销。相比之下，本文首次介绍了新兴的基于隧道场效应晶体管 (TFET) 的超轻量级可重构 TRNG 和 PUF 设计。提出了一种独特的方法，该方法考虑引脚正向电流特性以生成用于 PUF 和 TRNG 设计的随机密钥。利用 TFET 的引脚正向电流，设计了一个环形振荡器 (RO)，它表现出工作频率的变化，并充当 PUF 和 TRNG 的主要熵源。所提议设计中的 TRNG 非常稳健，并通过了美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的所有测试。考虑到引脚正向电流的变化，计算得出 PUF 的唯一性在 0.5 V 和 0.45 V 电源电压下分别为 47.5% 和 46%。此外，PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。
更新日期：2021-04-21
中文翻译：
基于隧道 FET 的超轻量级可重构 TRNG 和 PUF 设计，用于资源受限的物联网
传统的基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的专用真随机数发生器 (TRNG) 和物理不可克隆功能 (PUF) 设计随着技术扩展表现出更高的能耗和大面积开销。相比之下，本文首次介绍了新兴的基于隧道场效应晶体管 (TFET) 的超轻量级可重构 TRNG 和 PUF 设计。提出了一种独特的方法，该方法考虑引脚正向电流特性以生成用于 PUF 和 TRNG 设计的随机密钥。利用 TFET 的引脚正向电流，设计了一个环形振荡器 (RO)，它表现出工作频率的变化，并充当 PUF 和 TRNG 的主要熵源。所提议设计中的 TRNG 非常稳健，并通过了美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的所有测试。考虑到引脚正向电流的变化，计算得出 PUF 的唯一性在 0.5 V 和 0.45 V 电源电压下分别为 47.5% 和 46%。此外，PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。PUF 在电源电压和温度变化的情况下分别实现了 82% 和 88.7% 的高可靠性。所提出的设计被证明是紧凑的，门数相对较少，并且在 0.5V 电源电压下显示出 4.8 pJ/bit 的低能耗。有了这些性能指标，所提出的设计非常适合资源受限的物联网 (IoT)。
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