참조 FPGA 구현 (Cyclone V)

이 디렉토리는 원자적 측정–붕괄 프리미티브를 위한 참조 RTL 모듈, 사전 컴파일된 FPGA 이미지, 선택적 TCL 테스트 스크립트를 포함합니다. 이 프리미티브는 단일 읽기 의미론을 강제하는 CMOS 호환 하드웨어 측정–붕괄 메커니즘입니다. 첫 번째 적격 읽기가 저장된 바이트를 반환하며, 측정 동작은 결정론적으로 되돌릴 수 없는 붕괄 이벤트를 트리거합니다. 붕괄 후 셀은 난독화되거나 PRNG에서 파생된 출력만 생성하여 원래 값을 복구할 수 없도록 보장합니다. 이 구현은 독립적인 메모리 셀 뱅크에서 결정론적 첫 번째 읽기 공개, 기반 조건부 접근 제어, 원자적 단방향 상태 전이를 보여줍니다.

제공된 .sof 파일은 추가 버스 인터페이스 모듈 없이 직접 하드웨어 검증을 가능하게 합니다.

상태: 연구 산출물 릴리스
라이선스: 비상업적 용도만 허용 (아래 LICENSE 참조)
특허 출원 중: US 19/286,600
대상 하드웨어: Intel Cyclone V (5CSEBA6 / DE-SoC)

📦 디렉토리 내용

파일/폴더	설명
`fpga/collapse_cell.sv`	논문에서 사용된 핵심 프리미티브 read-once 셀
`fpga/collapse_bank.sv`	공유 엔트로피/난독화 버스를 갖춘 1024-셀 뱅크
`fpga/Atomic1024Bank.sof`	깨끗한 1024-셀 비트스트림 (SignalTap 없음 – 가장 빠른 플래시 경로)
`fpga/SignalTap.sof`	핸즈프리 자동 실행 데모가 포함된 계측 빌드
`fpga/SignalTap.stp`	사전 구성된 SignalTap 파일 – 열기 → 실행 → 붕괄 타이밍 관찰
`fpga/program_clean.bat`	Windows 원클릭 플래시 (클린 버전)
`fpga/program_clean.sh`	Linux 원클릭 플래시 (클린 버전)
`fpga/program_signaltap.bat`	Windows 원클릭 플래시 (SignalTap 데모)
`fpga/program_signaltap.sh`	Linux 원클릭 플래시 (SignalTap 데모)
`tcl/`	자동화된 테스트를 위한 선택적 System Console TCL 스크립트
`images/`	관련 논문의 한 사이클 공개 + 파괴 파형
`ROADMAP.md`	프로젝트 로드맵 및 계획된 ASIC/FPGA 개발 단계
`LICENSE.md`	비상업적 라이선스
`README.md`	이 파일

🧩 RTL 개요

`collapse_cell.sv`

측정–붕괄 read-once 메모리 (ROOM) 프리미티브를 구현합니다:

INIT은 값과 기반을 로드합니다
첫 번째 올바른 기반 읽기는 저장된 값을 공개하고 셀을 원자적으로 붕괴시킵니다
이후의 모든 읽기는 붕괄 후 난독화된 바이트를 반환합니다

주요 내부 상태:

basis_valid_q
armed_q
collapsed_q

`collapse_bank.sv`

전체 1024-셀 배열을 구현합니다. 이 모듈은 다음을 제공합니다:

1024개의 collapse_cell 유닛의 병렬 인스턴스화
단일 활성 셀 선택을 위한 주소 디코드 및 라우팅
메타데이터 입력(기반 바이트, 읽기 펄스, 초기화 펄스)의 균일 브로드캐스트
출력 경로 집계 (data_o, collapsed_q, 상태 등)
뱅크 수준에서 붕괄 후 진동 기반 엔트로피/난독화를 지원하는 선택적 링 오실레이터 (RO) 구동

RO 경로는 붕괄 후에만 활성화되며, 활성화되면 붕괄 후 난독화 출력 스트림에 기여합니다. 첫 번째 읽기 정확성이나 붕괄 의미론에는 영향을 미치지 않습니다.

🔧 제공된 FPGA 이미지

`Atomic1024Bank.sof`

계측 없는 깨끗한 빌드
간단한 데모 및 블랙박스 검증에 사용

`SignalTap.sof`

SignalTap 프로브가 활성화된 동일한 RTL
50 MHz에서 내부 붕괄 타이밍을 캡처

프로브된 신호 (SignalTap.stp 참조):

read_pulse
basis_in[7:0]
basis_valid_q
armed_q
collapsed_q
data_o[7:0]
valid_out (있는 경우)

🗂️ TCL 테스트 스크립트 (`tcl/`)

이 선택적 스크립트는 상호작용을 자동화하거나, 시퀀스를 구동하거나, 내부 테스트 흐름을 재현하려는 사용자를 위해 제공됩니다.

예시 기능은 다음과 같습니다:

자동화된 읽기 시퀀스
기반 스윕 테스트
붕괄 확인 사이클
로컬 로그로의 대량 샘플링

이 스크립트는 이 아티팩트에 포함된 어떤 버스 인터페이스 HDL에도 의존하지 않습니다. 사용자는 자신의 호스트 인터페이스, GPIO 시퀀서 또는 System Console 워크플로우에 맞게 조정할 수 있습니다.

🖥️ 하드웨어 사용법

Quartus Programmer를 엽니다
Atomic1024Bank.sof 또는 SignalTap.sof를 로드합니다
USB-Blaster를 사용하여 DE-SoC를 프로그래밍합니다
(선택 사항) SignalTap을 열어 다음을 관찰합니다:
- 첫 번째 읽기 공개
- 붕괄 이벤트
- 붕괄 후 출력 진화

이러한 이미지를 사용하는 데 Avalon-MM 슬레이브 또는 외부 IP 래퍼가 필요하지 않습니다.

📄 라이선스

전체 LICENSE.md 파일을 참조하세요.
비상업적 연구 라이선스가 적용됩니다.

📜 라이선스 (요약)

비상업적 연구, 교육 및 평가 허용
상업적 사용은 QSymbolic LLC의 별도 라이선스 필요
특허 권리는 비상업적 용도로만 부여됨
출처 표시 필요
보증 없음; 책임 없음

이 요약은 정보 제공용입니다. LICENSE.md의 전체 텍스트가 우선합니다.

📚 인용

학술 작업에서 이 아티팩트를 사용하는 경우 관련 논문을 인용해 주십시오:

인용 형식:
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 예시:

@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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