リファレンス FPGA 実装 (Cyclone V)

このディレクトリには、原子計測–崩壊プリミティブのリファレンスRTLモジュール、プリコンパイル済みFPGAイメージ、およびオプションのTCLテストスクリプトが含まれています。このプリミティブは、CMOS互換のハードウェア計測–崩壊メカニズムであり、単一読み取りセマンティクスを強制します。最初の有資格読み取りは格納されたバイトを返し、計測動作は決定論的に不可逆的な崩壊イベントをトリガーします。崩壊後、セルは難読化された出力またはPRNGから派生した出力のみを生成し、元の値が回復できないことを保証します。この実装は、独立したメモリセルのバンク全体にわたる、決定論的な最初の読み取り開示、基底条件付きアクセス制御、および原子的な一方向状態遷移を示します。

提供される .sof ファイルは、追加のバスインターフェースモジュールなしで直接ハードウェア検証を行うことを可能にします。

ステータス: 研究アーティファクト公開
ライセンス: 非商用利用のみ (下記のLICENSEを参照)
特許出願中: US 19/286,600
対象ハードウェア: Intel Cyclone V (5CSEBA6 / DE-SoC)

📦 ディレクトリ構成

ファイル / フォルダ	説明
`fpga/collapse_cell.sv`	論文で使用されるコアプリミティブの読み取り専用セル
`fpga/collapse_bank.sv`	共有エントロピー/難読化バスを備えた1024セルバンク
`fpga/Atomic1024Bank.sof`	クリーンな1024セルビットストリーム (SignalTapなし – 最速のフラッシュパス)
`fpga/SignalTap.sof`	ハンズフリー自動実行デモ用に計測されたビルド
`fpga/SignalTap.stp`	事前設定済みSignalTapファイル – 開く→実行→崩壊タイミングを観測
`fpga/program_clean.bat`	Windows用ワンクリックフラッシュ (クリーンバージョン)
`fpga/program_clean.sh`	Linux用ワンクリックフラッシュ (クリーンバージョン)
`fpga/program_signaltap.bat`	Windows用ワンクリックフラッシュ (SignalTapデモ)
`fpga/program_signaltap.sh`	Linux用ワンクリックフラッシュ (SignalTapデモ)
`tcl/`	自動テスト用のオプションのSystem Console TCLスクリプト
`images/`	関連論文からの1サイクル開示+破壊波形
`ROADMAP.md`	プロジェクトロードマップと計画されたASIC/FPGA開発段階
`LICENSE.md`	非商用ライセンス
`README.md`	このファイル

🧩 RTL 概要

`collapse_cell.sv`

測定–崩壊読み取り専用メモリ(ROOM)プリミティブを実装しています:

INIT は値と基底をロードします
最初の正しい基底による読み取りは、格納された値を開示し、セルを原子的に崩壊させます
それ以降のすべての読み取りは、崩壊後の難読化されたバイトを返します

主要な内部状態:

basis_valid_q
armed_q
collapsed_q

`collapse_bank.sv`

完全な1024セルアレイを実装しています。このモジュールは以下を提供します:

1024個の collapse_cell ユニットの並列インスタンス化
単一のアクティブセルを選択するためのアドレスデコードとルーティング
メタデータ入力 (基底バイト、読み取りパルス、初期化パルス) の均一なブロードキャスト
出力パス (data_o、collapsed_q、ステータスなど) の集約
バンクレベルでの崩壊後発振ベースのエントロピー/難読化をサポートするオプションのリングオシレータ(RO)駆動

ROパスは 崩壊後 にのみアクティブになり、有効にすると崩壊後の難読化出力ストリームに寄与します。最初の読み取りの正確性や崩壊セマンティクスには影響しません。

🔧 提供されるFPGAイメージ

`Atomic1024Bank.sof`

計測なしのクリーンビルド
簡単なデモンストレーションとブラックボックス検証に使用

`SignalTap.sof`

SignalTapプローブを有効にした同じRTL
50 MHzでの内部崩壊タイミングをキャプチャ

プローブされる信号 (SignalTap.stp 参照):

read_pulse
basis_in[7:0]
basis_valid_q
armed_q
collapsed_q
data_o[7:0]
valid_out (存在する場合)

🗂️ TCLテストスクリプト (`tcl/`)

これらのオプションスクリプトは、インタラクションの自動化、シーケンスの駆動、内部テストフローの再現を希望するユーザー向けに提供されています。

機能の例:

自動読み取りシーケンス
基底スイープテスト
崩壊確認サイクル
ローカルログへの一括サンプリング

これらのスクリプトは、このアーティファクトに含まれるバスインターフェースHDLに 依存しません。ユーザーは独自のホストインターフェース、GPIOシーケンサ、またはSystem Consoleワークフローに合わせて適応できます。

🖥️ ハードウェアの使用方法

Quartus Programmer を開く
Atomic1024Bank.sof または SignalTap.sof をロードする
USB-Blasterを使用してDE-SoCをプログラムする
(オプション) SignalTap を開いて以下を観測する:
- 最初の読み取り開示
- 崩壊イベント
- 崩壊後の出力の変化

これらのイメージを使用するために、Avalon-MMスレーブや外部IPラッパーは必要ありません。

📄 ライセンス

完全な LICENSE.md ファイルを参照してください。
非商用研究ライセンスが適用されます。

📜 ライセンス (概要)

非商用の研究、教育、評価は許可されます
商用利用にはQSymbolic LLCからの個別ライセンスが必要です
特許権は 非商用 利用に対してのみ付与されます
帰属表示が必要です
保証なし; 責任なし

この概要は情報提供のみを目的としています。LICENSE.md の全文が優先されます。

📚 引用

このアーティファクトを学術研究で使用する場合は、関連論文を引用してください:

以下のように引用:
Francis X. Cunnane III. A CMOS Measurement–Collapse Primitive for Ephemeral Secrets in Post-Quantum Cryptography. TechRxiv. December 02, 2025.
https://doi.org/10.36227/techrxiv.176463742.23048082/v3

BibTeX例:

@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}
}

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