Master's Thesis

Random number generator based on magnetic nanostructures

Final Thesis 7.77 MB

Author of thesis: Ing. Roman Jíra

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Karel Burda, CSc.

Abstract:

Random number generation can be based on physical events with probabilistic character, or on algorithms that use complex or one-way functions, alternatively on both of these approaches. A magnetic vortex is a basic state of magnetization that forms in magnetic micro- and nanostructures of an appropriate shape, dimensions and material. Quantities of the magnetic vortex form randomly if ambient conditions are chosen eligibly. A concept of a true random number generator using a random switching of states of the magnetic vortex is presented in this thesis. This concept is realized and random numbers were experimentally generated and numbers were statistically analysed.

Keywords:

magnetic vortex, circulation of magnetisation, anisotropic magnetoresistance, random number generator, true random numbers

Date of defence

22.06.2015

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Diplomová práce pana Romana Jíry se zabývá praktickou realizací a testováním generátoru náhodných čísel založeného na náhodném přepínání cirkulace magnetizace v magnetickém víru. Přes počáteční poněkud rozpačitý rozjezd pan Roman Jíra odvedl vynikající práci a svůj nápad s využitím magnetických vírů pro generování náhodných čísel dovedl ke zdárné realizaci. Při plnění úkolů diplomové práce pracoval pilně a dostatečně samostatně. Samotná diplomová práce je zpracována pečlivě a přehledně, oceňuji autorovu samostatnost při testování a statistické analýze dat generovaných připravenými vzorky vortexových generátorů náhodných čísel. Konstatuji, že všechny cíle diplomové práce byly splněny a práci hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Karel Burda, CSc.

Cílem práce bylo navrhnout koncept generátoru náhodných čísel, založeném na náhodném přepínání stavů v magnetickém vortexu. Po úvodní kapitole se autor věnuje popisu problematiky magnetických vírů. Třetí kapitola je věnována otázkám generování a testování náhodných čísel. Po této analytické části následují kapitoly popisující koncept generátoru, technologii výroby a experimenty. V šesté kapitole autor uvádí výsledky statistické analýzy získaných dat a poslední kapitola je závěr.

Autor v práci podrobně vysvětluje fyzikální základy magnetických vírů i problematiku generování a testování náhodných čísel. Návrh samotného konceptu generátoru je logický a zdůvodněný. Práce obsahuje i popis technologie jeho výroby. Na závěr je vysvětlena metoda měření a jsou statisticky analyzovány vygenerované posloupnosti. K této analýze bych spíše doporučoval použít baterii testů podle NIST SP 800-22, ale i autorem použité sady testů dávají poměrně jednoznačné výsledky.

Získané výsledky bohužel ukázaly, že navržené řešení není ani tak generátorem náhodné posloupnosti, jako spíše zdrojem entropie s vydatností kolem 0,1 shannon/bit. Nevidím to jako chybu autora, ale spíše jako vlastnost použitého fyzikálního jevu. K praktickému využití je tak nutno sestrojený zdroj entropie doplnit buď vhodným extraktorem náhodnosti, nebo generátorem pseudonáhodné posloupnosti.

Celkově oceňuji rozsah, hloubku, původnost a kvalitu diplomové práce - podle uvedených kritérií se spíše blíží disertační práci. Z těchto důvodů práci hodnotím 100 body, tj. Výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Stručně vysvětlete možnost využití Vámi navrženého konceptu v kombinaci s extraktorem náhodnosti, nebo s generátorem pseudonáhodné posloupnosti.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová