Implementação FPGA de Referência (Cyclone V)

Este diretório contém os módulos RTL de referência, imagens FPGA pré-compiladas e scripts de teste TCL opcionais para a primitiva atômica de medição–colapso. Esta primitiva é um mecanismo de hardware de medição–colapso compatível com CMOS que impõe semântica de leitura única: a primeira leitura qualificada retorna o byte armazenado, e o ato de medição aciona deterministicamente um evento de colapso irreversível. Após o colapso, a célula produz apenas saídas ofuscadas ou derivadas de PRNG, garantindo que o valor original não possa ser recuperado. A implementação demonstra divulgação determinística na primeira leitura, controle de acesso condicionado por base e transições de estado atômicas unidirecionais em um banco de células de memória independentes.

Os arquivos .sof fornecidos permitem validação direta de hardware sem quaisquer módulos adicionais de interface de barramento.

Status: Lançamento de Artefato de Pesquisa
Licença: Uso apenas não comercial (veja a licença abaixo)
Patente Pendente: US 19/286,600
Hardware Alvo: Intel Cyclone V (5CSEBA6 / DE-SoC)

📦 Conteúdo do Diretório

🧩 Visão Geral do RTL

collapse_cell.sv

Implementa a primitiva de memória de leitura única (ROOM) por medição–colapso:

• INIT carrega valor e base
• A primeira leitura com base correta divulga o valor armazenado e colapsa a célula atomicamente
• Todas as leituras subsequentes retornam bytes ofuscados pós-colapso

Principais estados internos:

• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q

collapse_bank.sv

Implementa o array completo de 1024 células. Este módulo fornece:

• Instanciação paralela de 1024 unidades collapse_cell
• Decodificação de endereço e roteamento para selecionar uma única célula ativa
• Difusão uniforme das entradas de metadados (byte de base, pulso de leitura, pulso de init)
• Agregação dos caminhos de saída (data_o, collapsed_q, status, etc.)
• Acionamento opcional por oscilador em anel (RO) para suportar entropia/ofuscação baseada em oscilação pós-colapso no nível do banco

O caminho de RO só fica ativo após o colapso e contribui para o fluxo de saída ofuscado pós-colapso quando habilitado. Ele não afeta a corretude da primeira leitura nem a semântica de colapso.

🔧 Imagens FPGA Fornecidas

Atomic1024Bank.sof

• Build limpo sem instrumentação
• Usado para demonstrações simples e verificação de caixa-preta

SignalTap.sof

• Mesmo RTL com sondas SignalTap habilitadas
• Captura a temporização do colapso interno a 50 MHz

Sinais sondados (veja SignalTap.stp):

• read_pulse
• basis_in[7:0]
• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q
• data_o[7:0]
• valid_out (se presente)

🗂️ Scripts de Teste TCL (tcl/)

Esses scripts opcionais são fornecidos para usuários que desejam automatizar interações, conduzir sequências ou reproduzir o fluxo de teste interno.

Exemplos de capacidades incluem:

• Sequências de leitura automatizadas
• Teste de varredura de base
• Ciclos de confirmação de colapso
• Amostragem em massa em logs locais

Esses scripts não dependem de nenhum HDL de interface de barramento incluído neste artefato. Os usuários podem adaptá-los para sua própria interface host, sequenciador GPIO ou fluxos de trabalho do System Console.

🖥️ Uso do Hardware

1. Abra o Quartus Programmer
2. Carregue Atomic1024Bank.sof ou SignalTap.sof
3. Programe o DE-SoC usando USB-Blaster
4. (Opcional) Abra o SignalTap para observar:
   • Divulgação da primeira leitura
   • Evento de colapso
   • Evolução da saída pós-colapso

Nenhum escravo Avalon-MM ou wrapper IP externo é necessário para usar essas imagens.

📄 Licença

Consulte o arquivo completo LICENSE.md.
Aplica-se uma licença de pesquisa não comercial.

📜 Licença (Resumo)

• Pesquisa, ensino e avaliação não comerciais permitidos
• O uso comercial exige uma licença separada da QSymbolic LLC
• Direitos de patente concedidos apenas para uso não comercial
• Atribuição exigida
• Sem garantia; sem responsabilidade

Este resumo é apenas informativo. O texto completo em LICENSE.md prevalece.

📚 Citação

Se você usar este artefato em trabalhos acadêmicos, cite o artigo associado:

Cite como:
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

Exemplo BibTeX:

@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}
}