Random number generation is an important task in a wide variety of critical applications including cryptographic algorithms, scientific simulations, and industrial testing tools. True Random Number Generators (TRNGs) produce truly random data by sampling a physical entropy source that typically requires custom hardware and suffers from long latency. To enable high-bandwidth and low-latency TRNGs on commodity devices, recent works propose TRNGs that use DRAM as an entropy source. Although prior works demonstrate promising DRAM-based TRNGs, integration of such mechanisms into real systems poses challenges. We identify three challenges for using DRAM-based TRNGs in current systems: (1) generating random numbers can degrade system performance by slowing down concurrently-running applications due to the interference between RNG and regular memory operations in the memory controller (i.e., RNG interference), (2) this RNG interference can degrade system fairness by unfairly prioritizing applications that intensively use random numbers (i.e., RNG applications), and (3) RNG applications can experience significant slowdowns due to the high RNG latency. We propose DR-STRaNGe, an end-to-end system design for DRAM-based TRNGs that (1) reduces the RNG interference by separating RNG requests from regular requests in the memory controller, (2) improves the system fairness with an RNG-aware memory request scheduler, and (3) hides the large TRNG latencies using a random number buffering mechanism with a new DRAM idleness predictor that accurately identifies idle DRAM periods. We evaluate DR-STRaNGe using a set of 186 multiprogrammed workloads. Compared to an RNG-oblivious baseline system, DR-STRaNGe improves the average performance of non-RNG and RNG applications by 17.9% and 25.1%, respectively. DR-STRaNGe improves average system fairness by 32.1% and reduces average energy consumption by 21%.


翻译:随机数字生成是多种关键应用中的一项重要任务,包括加密算法、科学模拟和工业测试工具。真正的随机数字生成器(TRNGs)通过抽样采集一个自然的恒温源,产生真正随机的数据,这些源通常需要定制硬件,且长期悬浮。为了在商品设备上实现高带宽和低纬度的TRNGs,最近的工作表明,TRNGs使用DRA作为缓冲源。虽然以前的工作显示以DRAM为基础的多RENGs有希望,但将这类机制整合到实际系统中带来了挑战。我们发现,在目前系统中使用基于DRAM的周期TRNGs(TRs) 生成三个挑战:(1) 随机数字生成可以降低系统性能,因为RNG和常规记忆控制器之间的干扰而同时进行运行。(2) 这种RNGNG干预可以降低系统(RRRR-R)平均耗能、 RR-RDR-RDR) 和(RDRNG) 将R-NG平均耗耗损率分别用于RNGNGNG) 。

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