LEE- Elektronik Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 2 / 2
  • Öge
    Design and implementation of a novel physically unclonable function with a new cellular automata model
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Göncü, Emre ; Yalçın, Müştak Erhan ; 657021 ; Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
    The number of devices in network increases continuously by the Internet of things (IoT) paradigm. It is expected that there will be over 25 billion devices connected to the internet, by 2025. Furthermore, IoT applications can be encountered in almost every part of our lives such as at homes, in vehicles, in human bodies. Obviously, most of those devices store sensitive data. In addition, because of the rapid increase of e-business practices, the devices realizing secure transactions of huge sensitive data are essential. Therefore, security and trustworthy of that kind of devices become more and more important. Secure transactions are realized with strong cryptographic systems. True Random Number Generators (TRNG) are essential for these systems in order to source the inputs such as keys, initialization vectors and challenges. Statistical quality of the TRNG is one of the metrics determining the security level of the system. Therefore, designing and implementing a TRNG of high quality is vital for a strong cryptographic system. Nowadays, threats of counterfeit integrated circuits (IC) arise around the world. Therefore, Intellectual Property (IP) protection of the hardware designs is one of the major challenges of IC designers. They want their hardware to run on a limited number of ICs because of commercial reasons. Physical Unclonable Functions (PUF) are another security primitives extracting the unique identity of devices from the physical characteristics. In fact, this identity is a trust anchor in higher-level security architectures. Therefore, they can answer the security challenges mentioned above. Cellular Automata (CA) are discrete dynamical systems used in many different fields like modelling, pseudo-random generation, image processing, \textit{etc.}. Since standard CA are deterministic systems, it is not possible to obtain random bit sequence at the output. However, a new CA model proposed in the thesis makes it possible by adding some physical noises to the model. Introduced model is also realized on FPGA. It is empirically proved in thesis that the output of the system is random. Employing the randomness of the new CA model, a TRNG and a PUF design are proposed in order to address the solutions for given problems above. The proposed TRNG, without any post-processing block, passes all the statistical tests provided by NIST. Furthermore, it has a higher speed regarding the other TRNG implementation on FPGAs given in the literature. PUF design is also promising by the terms of security and reliability regarding the other PUF implementations on FPGA in the literature. Finally, at the end of the thesis, a novel Application Specific Integrated Circuit (ASIC) implementation of Advanced Encryption Standard (AES) block cipher is introduced. The AES hardware is asynchronous in order to have reduced power consumption and throughput improvements regarding the other AES hardware realizations given in the literature. Furthermore, the IC is fabricated using TSMC-65 nm standard cells.
  • Öge
    Spintronic devices for wireless communication,memory, and analog applications
    ( 2020) Atasoyu, Mesut ; Özoğuz, İsmail Serdar ; 629126 ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği ; Electrical and Electronics Engineering
    Son on yılda spintronik elemanlar, bellek, analog devre tasarımında, ve kablosuz iletişim alanlarındaki güncel uygulamalarda önemli sınırlamaları olan CMOS teknolojisinin yerini alabilecek aday bir teknoloji olarak karşımıza çıkmıştır. Spintronik elemanın manyetik durumun geleneksel elemanlara göre çok daha az enerji ile değiştirilebilir olmasının hız verdiği araştırmalarla, bu elemanın yukarıdaki uygulamalarda nasıl kullanılabileceğini gösteren yeni yöntemler geliştirilmiştir. Ferromagnetin spin-tork anahtarlaması, bellek, analog ve kablosuz iletişim uygulamaları için çok yararlı bir özellik olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, hala spin-tork cihazlarının bu uygulamalar için daha etkin nasıl kullanılabileceğini gösteren yeni araştırmalara ihtiyaç bulunmaktadır. Literatürde spintronik elemanların bellek, ayarlanabilir direnç, ve osilatör uygulamalarında, manyetik tünel jonksiyonun spin tork anahtarlama modeli için çeşitli modeller ve devre tasarım teknikleri önerilmiştir. Bu tezde, bellek, analog ve kablosuz iletişim alanlarına yönelik olarak spintronik cihazların matematiksel modellemesi ve olası uygulamaları incelenmiştir. Temel olarak bu uygulamalarda, ofset iptali, BER performansının iyileştirilmesi ve faz gürültüsünün azaltılması için yeni devre teknikleri önerilmiştir. Bu tezde sunulan çalışmalar özet olarak: Bölüm 1 Bu tezin motivasyonu ve araştırma katkıları bu kısımda derlenmiştir. Bölüm 2 Spintronik aygıtların iyi anlaşılması için, manyetik teoremler açıklanmıştır. Spintronik aygıtların kapsamlı bir şekilde anlaşılması, manyetik malzemelerin fiziksel prensipleri hakkında kapsamlı bir bilgiye dayanır. Bu bölümde, elektromanyetik teoremlerin önemli sonuçlarının bir özetini ve bu tür aygıtların anahtarlama sistemleri için ilgili manyetik teorilerin bir özeti sunulmuştur. Sonuç olarak, bu manyetik bilgi temeli üzerine spintronik aygıtların modellenmesi incelenmiştir. Bölüm 3: analog devre uygulaması Yeni nesil devre elemanı olarak memristörler bir analog uygulamada ilk önce değişken kazan kuvvetlendirici yapısında kullanılmıştır. Ancak memristörleri düşük gerilim seviyelerinde çalıştırmak zordur. Spintronik devre elemanları düşük gerilim seviyelerinde çalıştırılabilir ve ilk uygulama olarak bir işlemsel geçişiletkenliği kuvvetlendirici (OTA) yapısında yerleşme zamanı kompanzasyonu için ayarlanabilir direnç olarak kullanılmıştır. Çünkü spintronik aygıtların çoklu hücresel fabrikasyonu düşük maliyetli olduğu ve CMOS teknolojisine entegrasyonu tasarım alanı verimliliği sağladığı için, analog uygulamalarda tercih edilmektedir. Bu bölümde spintronik aygıtlar pratik programlanabilir direnç olarak bir analog uygulama yapısında gerçeklenmiştir. Bu aygıtların programlanabilir direnç uygulaması, spin tork anahtarlama mekanizması yardımıyla gerçekleştirilir. Ayrıca, bir spintronik aygıtın direnci uygulanan darbe gerilim kaynağının darbe genişliğine ve uygulanan kutuplama akımın yönüne bağlıdır. Bu amaçlanan ayarlanabilir direnç yapısı karşılaştırıcı yapısında ön kuvvetlendiri ofsetinin azaltılması için uygulanmıştır. Çok hücreli spintronik aygıtlarin üretimi ucuz olduğundan, bu ofset azaltma yöntemi düşük maliyetli bir tasarımdır. Bu amaçlanan programlanabilir direnç yapısında, spintronik aygıtların direnç değeri sapmalarını azaltmak için bu aygıtlar birbirlerine seri olarak bağlanmıştır. Bölüm 4: bellek uygulaması Modern yüksek hızlı sayısal sistemlerde yonga önbelleği olarak statik rastgele erişim belleği (SRAM) kullanılır. Bununla birlikte, CMOS teknoloji nodu küçüldükçe, SRAM'ın statik enerji tüketimi artar. Yeni teknoloji bellek elemanları, SRAM'ın yerini almak için geliştirilmektedir. Bunlar arasında rastgele manyetik bellek elemanları (STT-MRAM) özellikle caziptir. STT-MRAM' in avantajları arasında: CMOS tasarım uyumluluğu, hızlı okuma ve yazma işlevselliği, ve dayanıklılığı yüksektir. Bir STT-MRAM'in ana bellek işlemleri yazma ve okumadır. Bu işlemler arasında bellek hücresi akımı açısından bir ödünleşim vardır. Yazma işlemleri için daha düşük hücre akımları tercih edilir, ancak okuma işlemleri için daha yüksek hücre akımları tercih edilir. Aygıt geliştirme seviyesindeki araştırmalar, manyetik tünel jonksionu (MTJ) anahtarlama akımını yazma operasyonlarında azaltmayı ve devre seviyesindeki araştırmalar bit hata oranı (BER) performansını bu bellek elemanının okuma operasyonlarında arttırmayı amaçlamaktadır. Bu tezde bellek uygulamasında, STT-MRAM yapısında okuma işlemlerini iyileştirmek için çeşitli devre tasarım teknikleri sunulmuştur. Akım algılama kuvvetlendiricisine ve gerilim algılama kuvvetlendiricisine dayanan yaygın olarak kullanılan iki algılama şeması karşılaştırılmıştır. Düşük dirençli alanlarda yüksek tünelleme direnci (TMR) sağlayan MTJ ile yapılandırılmış STT-MRAM için tasarlanmış sezme şemalarının temel sınırlamaları araştırılmıştır. Sonuç olarak, tek bir referans MTJ hücresi ile önerilen algılama şeması, yüksek hızlı ve düşük güçlü STT-MRAM okuma işlemleri için iyi bir çözüm sunmaktadır. Önerilen algılama şeması, veri ve referans hücrelerinin direnç varyasyonlarına ve latch deki parazitik kapasitanslara daha az duyarlıdır. Önerilen tasarım, literatürdeki benzerlerine kıyasla hızlı okuma, BER performansı, ve güç tüketimini açısından daha iyi bir çözüm sunmaktadır. Bölüm 5: kablosuz haberleşme uygulaması Nano aygıt araştırmaları, frekans sentezleyicilerinin indükleyici olmadan tasarımı açısından büyük önem taşımaktadır. Araştırmacılar, yeni nesil frekans sentezleyici için yeni grafen tabanlı cihazlar ve spintronik cihaz teknolojileri üzerinde aygıt araştırmalarına ağırlık vermektedirler. Spintronik osilatör teknolojisindeki son gelişmeler, küçük çip boyutu (100 nm veya daha küçük çaplı), kompaktlığı, CMOS işlem uyumluluğu, yüksek çalışma frekansları, gelecekteki kablosuz iletişim ve ayrıca milimetre kablosuz iletişiminde yani 65 GHz'in üzerinde frekanslarda çalışabiliyor olması nedeniyle bu osilatör teknolojisi önem arzetmektedir. Çoklu RF vericileri özellikle VCO'lar yapılarındaki LC tabanlı osilatörler nedeniyle çok fazla alan kaplamaktadırlar. Bu nedenle spintronik osilatörlerin çoklu RF vericisinde uygulaması, LC tabanlı bir VCO'dan kompakt alan tasarım açısından daha caziptir. Bununla birlikte, STO'ların bazı ana dezavantajları vardır. Bunlar, düşük çıkış gücü, düşük frekans çözünürlüğü ve doğrusal olmayan genlik-faz kuplajıdır. Bu aygıt araştırmalarında, bu dezavantajların çözümüne odaklanılmıştır. Kablosuz uygulamada, spintronik osilatör tabanlı frekans sentezleyici yapısı tasarlanmıştır. Bu tezde geliştirilen devre teknikleri spintronik osilatörün spektral çözünürlüğünü geliştirmeye odaklanmıştır. Sonuç olarak, spintronik osilatörün spektral çözünürlüğü iyileştirilmiştir. Entegre devre yaklaşımındaki spintronik osilatörün faz gürültü seviyeleri, bu araştırma alanındaki gelecekteki çalışmalar için simülasyon sonuçlarıyla belirlenmiştir.