Эталонная реализация на ПЛИС (Cyclone V)

Этот каталог содержит эталонные RTL-модули, предварительно скомпилированные образы ПЛИС и опциональные TCL-скрипты тестирования для атомарного примитива измерения–коллапса. Этот примитив представляет собой совместимый с КМОП аппаратный механизм измерения–коллапса, обеспечивающий семантику однократного чтения: первое квалифицированное чтение возвращает сохранённый байт, а сам акт измерения детерминированно запускает необратимое событие коллапса. После коллапса ячейка выдает только обфусцированные или сгенерированные ГПСЧ значения, что гарантирует невозможность восстановления исходного значения. Реализация демонстрирует детерминированное раскрытие при первом чтении, управление доступом на основе базиса и атомарные однонаправленные переходы состояний в массиве независимых ячеек памяти.

Предоставленные .sof-файлы позволяют проводить прямую аппаратную верификацию без дополнительных модулей шинного интерфейса.

Статус: Выпуск исследовательского артефакта
Лицензия: Только некоммерческое использование (см. LICENSE ниже)
Патент заявлен: US 19/286,600
Целевое оборудование: Intel Cyclone V (5CSEBA6 / DE-SoC)

---

📦 Содержимое каталога

Файл / Папка	Описание
fpga/collapse_cell.sv	Базовая примитивная ячейка однократного чтения, используемая в статье
fpga/collapse_bank.sv	Банк из 1024 ячеек с общей шиной энтропии/обфускации
fpga/Atomic1024Bank.sof	Чистый битстрим на 1024 ячейки (без SignalTap – самый быстрый путь загрузки)
fpga/SignalTap.sof	Инструментированная сборка с автоматическим запуском демонстрации
fpga/SignalTap.stp	Предварительно настроенный файл SignalTap – откройте → запустите → наблюдайте временные диаграммы коллапса
fpga/program_clean.bat	Однокликовое программирование для Windows (чистая версия)
fpga/program_clean.sh	Однокликовое программирование для Linux (чистая версия)
fpga/program_signaltap.bat	Однокликовое программирование для Windows (демо SignalTap)
fpga/program_signaltap.sh	Однокликовое программирование для Linux (демо SignalTap)
tcl/	Опциональные TCL-скрипты System Console для автоматизированного тестирования
images/	Форма сигналов «раскрытие + уничтожение за один такт» из соответствующей статьи
ROADMAP.md	Дорожная карта проекта и запланированные этапы разработки ASIC/ПЛИС
LICENSE.md	Некоммерческая лицензия
README.md	Этот файл

---

🧩 Обзор RTL

collapse_cell.sv

Реализует примитив памяти однократного чтения с измерением–коллапсом (ROOM):

• INIT загружает значение и базис
• Первое чтение с правильным базисом раскрывает сохранённое значение и атомарно коллапсирует ячейку
• Все последующие чтения возвращают обфусцированные байты после коллапса

Ключевые внутренние состояния:

• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q

collapse_bank.sv

Реализует полный массив из 1024 ячеек. Этот модуль предоставляет:

• Параллельную инстанциацию 1024 блоков collapse_cell
• Декодирование адреса и маршрутизацию для выбора единственной активной ячейки
• Единую широковещательную передачу метаданных (байт базиса, импульс чтения, импульс инициализации)
• Агрегацию выходных путей (data_o, collapsed_q, статус и т.д.)
• Опциональный кольцевой генератор (RO) для поддержки пост-коллапсной энтропии/обфускации на уровне банка, основанной на колебаниях

Путь RO активен только после коллапса и участвует в формировании обфусцированного выходного потока после коллапса, когда он включён. Он не влияет на корректность первого чтения или семантику коллапса.

---

🔧 Предоставленные образы ПЛИС

Atomic1024Bank.sof

• Чистая сборка без инструментирования
• Используется для простых демонстраций и проверки «чёрного ящика»

SignalTap.sof

• Та же RTL со включёнными пробниками SignalTap
• Захватывает внутренние временные диаграммы коллапса на частоте 50 МГц

Пробники сигналов (см. SignalTap.stp):

• read_pulse
• basis_in[7:0]
• basis_valid_q
• armed_q
• collapsed_q
• data_o[7:0]
• valid_out (если присутствует)

---

🗂️ TCL-скрипты для тестирования (tcl/)

Эти опциональные скрипты предоставлены для пользователей, желающих автоматизировать взаимодействия, управлять последовательностями или воспроизвести внутренний тестовый поток.

Примеры возможностей включают:

• Автоматизированные последовательности чтения
• Тестирование перебора базисов
• Циклы подтверждения коллапса
• Пакетную выборку в локальные журналы

Эти скрипты не зависят от какого-либо HDL шинного интерфейса, включённого в данный артефакт. Пользователи могут адаптировать их под свой собственный интерфейс хоста, последователь GPIO или рабочие процессы System Console.

---

🖥️ Использование оборудования

1. Откройте Quartus Programmer
2. Загрузите либо Atomic1024Bank.sof, либо SignalTap.sof
3. Запрограммируйте DE-SoC через USB-Blaster
4. (Опционально) Откройте SignalTap, чтобы наблюдать:
   • Раскрытие при первом чтении
   • Событие коллапса
   • Эволюцию выходного сигнала после коллапса

Для использования этих образов не требуется подчинённого устройства Avalon-MM или внешнего IP-обёртки.

---

📄 Лицензия

См. полный файл LICENSE.md.
Применяется некоммерческая исследовательская лицензия.

---

📜 Лицензия (кратко)

• Разрешено некоммерческое исследование, преподавание и оценка
• Коммерческое использование требует отдельной лицензии от QSymbolic LLC
• Патентные права предоставляются только для некоммерческого использования
• Требуется указание авторства
• Без гарантии; без ответственности

Эта сводка носит только информационный характер. Полный текст в LICENSE.md имеет преимущественную силу.

---

📚 Цитирование

Если вы используете этот артефакт в академической работе, пожалуйста, процитируйте соответствующую статью:

Цитировать как:
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 пример:

@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}
}