Referenz-FPGA-Implementierung (Cyclone V)

Dieses Verzeichnis enthält die Referenz-RTL-Module, vorkompilierte FPGA-Images und optionale TCL-Testskripte für die atomare Messungs-Kollaps-Primitive. Diese Primitive ist ein CMOS-kompatibler Hardware-Mechanismus für Messung und Kollaps, der Einmal-Lese-Semantik erzwingt: Die erste qualifizierte Leseoperation gibt das gespeicherte Byte zurück, und der Messvorgang löst deterministisch ein irreversibles Kollaps-Ereignis aus. Nach dem Kollaps liefert die Zelle nur noch verschleierte oder PRNG-basierte Ausgaben, sodass der ursprüngliche Wert nicht wiederhergestellt werden kann. Die Implementierung demonstriert deterministische Erstlese-Offenlegung, basisbedingte Zugriffssteuerung und atomare Einweg-Zustandsübergänge über eine Bank unabhängiger Speicherzellen.

Die bereitgestellten .sof-Dateien ermöglichen eine direkte Hardware-Validierung ohne zusätzliche Bus-Schnittstellenmodule.

Status: Veröffentlichung eines Forschungsartefakts
Lizenz: Nur für nicht-kommerzielle Nutzung (siehe LIZENZ unten)
Patent angemeldet: US 19/286,600
Zielhardware: Intel Cyclone V (5CSEBA6 / DE-SoC)

📦 Verzeichnisinhalt

🧩 RTL-Übersicht

collapse_cell.sv

Implementiert die Messungs-Kollaps-Einmal-Lese-Speicher-Primitive (ROOM):

• INIT lädt Wert und Basis
• Erstes Lesen mit korrekter Basis legt den gespeicherten Wert offen und kollabiert die Zelle atomar
• Alle nachfolgenden Lesevorgänge geben nach dem Kollaps verschleierte Bytes zurück

Wichtige interne Zustände:

• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q

collapse_bank.sv

Implementiert das vollständige Array mit 1024 Zellen. Dieses Modul bietet:

• Parallele Instanziierung von 1024 collapse_cell-Einheiten
• Adressdekodierung und -weiterleitung zur Auswahl einer einzelnen aktiven Zelle
• Einheitliche Verteilung der Metadaten-Eingaben (Basis-Byte, Lesepuls, Init-Puls)
• Zusammenführung der Ausgabepfade (data_o, collapsed_q, Status usw.)
• Optionaler Ringoszillator(RO)-Antrieb zur Unterstützung von nach dem Kollaps oszillationsbasierter Entropie/Verschleierung auf Bankebene

Der RO-Pfad ist nur nach dem Kollaps aktiv und trägt zum verschleierten Ausgabestrom nach dem Kollaps bei, wenn er aktiviert ist. Er beeinflusst weder die Korrektheit des ersten Lesens noch die Kollaps-Semantik.

🔧 Bereitgestellte FPGA-Images

Atomic1024Bank.sof

• Sauberer Build ohne Instrumentierung
• Wird für einfache Demonstrationen und Black-Box-Verifikation verwendet

SignalTap.sof

• Gleiches RTL mit aktivierten SignalTap-Proben
• Erfasst interne Kollaps-Timing bei 50 MHz

Abgegriffene Signale (siehe SignalTap.stp):

• read_pulse
• basis_in[7:0]
• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q
• data_o[7:0]
• valid_out (falls vorhanden)

🗂️ TCL-Testskripte (tcl/)

Diese optionalen Skripte werden für Benutzer bereitgestellt, die Interaktionen automatisieren, Sequenzen steuern oder den internen Testablauf reproduzieren möchten.

Beispielfähigkeiten umfassen:

• Automatisierte Lese-Sequenzen
• Basen-Durchlauftests
• Kollaps-Bestätigungszyklen
• Massenabtastung in lokale Protokolle

Diese Skripte sind nicht von einer in diesem Artefakt enthaltenen Bus-Schnittstellen-HDL abhängig. Benutzer können sie an ihre eigene Host-Schnittstelle, GPIO-Sequenzer oder System-Console-Workflows anpassen.

🖥️ Hardware-Nutzung

1. Öffnen Sie den Quartus-Programmierer
2. Laden Sie entweder Atomic1024Bank.sof oder SignalTap.sof
3. Programmieren Sie das DE-SoC mit USB-Blaster
4. (Optional) Öffnen Sie SignalTap, um Folgendes zu beobachten:
   • Erstlese-Offenlegung
   • Kollaps-Ereignis
   • Entwicklung der Ausgabe nach dem Kollaps

Für die Verwendung dieser Images ist kein Avalon-MM-Slave oder externer IP-Wrapper erforderlich.

📄 Lizenz

Siehe die vollständige Datei LICENSE.md.
Es gilt eine nicht-kommerzielle Forschungslizenz.

📜 Lizenz (Zusammenfassung)

• Nicht-kommerzielle Forschung, Lehre und Evaluierung erlaubt
• Kommerzielle Nutzung erfordert eine separate Lizenz von QSymbolic LLC
• Patentrechte werden nur für nicht-kommerzielle Nutzung gewährt
• Namensnennung erforderlich
• Keine Garantie; keine Haftung

Diese Zusammenfassung dient nur zur Information. Der vollständige Text in LICENSE.md ist maßgeblich.

📚 Zitation

Wenn Sie dieses Artefakt in akademischen Arbeiten verwenden, zitieren Sie bitte das zugehörige Paper:

Zitieren als:
Francis X. Cunnane III. A CMOS Measurement–Collapse Primitive for Ephemeral Secrets in Post-Quantum Cryptography. TechRxiv. 02. Dezember 2025.
https://doi.org/10.36227/techrxiv.176463742.23048082/v3

BibTeX-Beispiel:

@misc{cunnane2025measurementcollapse,
  author       = {Cunnane III, Francis X.},
  title        = {A CMOS Measurement--Collapse Primitive for Ephemeral Secrets in Post-Quantum Cryptography},
  year         = {2025},
  month        = dec,
  note         = {TechRxiv},
  doi          = {10.36227/techrxiv.176463742.23048082/v1},
  url          = {https://doi.org/10.36227/techrxiv.176463742.23048082/v1}
}