采用全局互连线随机模型的硅物理不可克隆函数的设计

物理不可克隆函数（PUF）是一种新颖的从复杂物理系统中提取“秘密”的技术方法,有望在移动设备身份鉴别、密钥的生成和存储等诸多领域得到广泛应用．现有的硅PUF电路仅考虑了片上逻辑器件延时,而忽视了已经作为时序模型主导因素的全局互连延时,不符合物理电路的实际．本文在PuF的构造中考虑到IC加工工艺的变化性并结合互连延时模型,提出了一种新型的PUF电路．仿真实验是在SynopsysHspice（2-2010模拟设计平台上完成的,测量了PUF电路的片间差异和片内差异参数,评估了128位的PUF电路的性能．实验结果表明所设计的PUF电路是可行的,有望应用于移动计算身份鉴别和核心芯片防护．     

基于Rowhammer 物理不可克隆函数的物理设备测绘框架

网络空间测绘的核心问题是准确识别和动态跟踪设备。然而,随着匿名化技术的发展,设备可以拥有多个IP地址和MAC地址。这使得通过传统的测绘技术将多个虚拟属性映射到同一个物理设备上变得更加困难。该文提出一种基于物理不可克隆函数(PUF)的测绘框架。该框架可以主动检测网络空间中的物理资源,并根据物理指纹构建资源画像来动态跟踪设备。同时,该文提出一种在配备第四代双倍速率(DDR4)内存的个人电脑(PC)上实现基于Rowhammer的动态随机存取存储器物理不可克隆函数(DRAM PUF)的方法。性能评估表明,该方法在PC上提取的Rowhammer PUF的响应是唯一且可靠的,并可以作为设备的唯一物理指纹。实验结果表明,即使目标设备修改了MAC地址、IP地址或重装了操作系统,该文提出的框架仍然可以通过构建一个用于设备匹配的物理指纹数据库,对目标设备进行准确的标识。     

多频率段物理不可克隆函数

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions, PUF)是一种用于保护集成电路芯片安全的新方法。传统的基于振荡器的PUF在产生响应过程中振荡器的振荡频率固定不变,因此存在着被攻击的隐患。该文提出一种新的利用多频率段的PUF(Multiple Frequency Slots based PUF, MFS-PUF)来解决这个问题,通过可配置的振荡器,每产生一位响应,振荡器的振荡频率便发生转移。在每一种振荡频率下,由于不可避免地制造差异,振荡器之间的频率会有微小差别,这些略有差异的频率组成了一个频率段(frequency slot),整个系统中则存在着多个频率段。各个频率段之间随机转变,相比于传统的基于振荡器的PUF,系统输入输出响应对(Challenge-Response Pairs, CRPs)的值更大,也更加不可预测,这使得攻击者使用建模攻击的复杂度大大增加,在保证了自身性能的同时增强了本身的安全性。     

片上SRAM物理不可克隆函数特性优化设计

业内常用静态随机存储器（SRAM）物理不可克隆函数（PUF）通过片上SRAM上电初始状态的固有物理特性生成系统安全密钥。但在系统不能充分掉电的情况下,片上集成SRAM上电后保持了上次掉电前的状态,无法生成固有的物理特性密钥。提出了一种在系统不能充分掉电情况下的电源控制电路,确保SRAM单元充分掉电,从而保证片上SRAM上电初始状态的物理特性。     

基于SRAM物理不可克隆函数的高效真随机种子发生器设计

该文设计了一种基于SRAM物理不可克隆函数(PUFs)的高效真随机种子发生器。通过将不提供熵值的稳定节点和提供低熵值的噪声节点筛除,只选用能够提供较高熵值的噪声节点来生成满熵种子,大幅降低需要处理的数据量,提高节点数据的处理效率。通过测试SRAM PUFs内部噪声节点的振荡特性,提出筛选出SRAM PUFs内部高熵值的噪声节点的最佳策略,最终基于此策略设计出真随机种子发生器。该设计可以产生128~256 bit长度的满熵的种子且处理的节点数据量只有当前方法的0.5%~4%。生成的种子满足NIST架构的随机数生成器要求,产生的伪随机数全部通过了随机数检测。与现有设计相比,该文提出的真随机种子发生器是一种高效的、适用范围较广的设计。     

基于环形振荡器的物理不可克隆函数的设计与验证

为了验证物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)的有效性,试验必须针对大量芯片的微延迟特性进行建模。尽管仿真的方式能够提供近似的结果,但通过片上试验能获得更加精确的结果。借助FPGA工具制造硬宏,在多块同型号FPGA上分析了基于环形振荡器(Ring Oscillator, RO)的物理不可克隆函数。其核心步骤是通过对相邻RO的振荡频率计数后相互比较,得到1024比特长度的响应输出。在多次试验测试后,得到了片内和片间汉明距,并作为PUF性能的指标参数——唯一性、可靠性。结果表明,常温下的平均唯一性为48.01%,平均可靠性为1.75%。     

基于信号传输理论的Glitch物理不可克隆函数电路设计

通过对信号传输理论、竞争-冒险现象和物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions, PUF)电路的研究,论文提出一种基于信号传输理论的毛刺型物理不可克隆函数电路(Glitch Physical Unclonable Functions, Glitch-PUF)方案。该方案首先根据偏差延迟的信号传输理论,推导出获得稳定毛刺输出的电路级数;然后利用组合逻辑电路的传播延迟差异,结合1冒险和0冒险获得具有毛刺的输出波形,采用多级延迟采样电路实现Glitch-PUF的输出响应。由于毛刺信号具有显著的非线性特性,将其应用于PUF电路可有效解决模型攻击等问题。最后在TSMC 65 nm CMOS工艺下,设计128位数据输出的电路结构,Monte Carlo仿真结果表明Glitch-PUF电路具有良好的随机性。     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点,但在实际应用中也面临各种安全威胁.确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点.该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究,提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案.该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料,结合高温煅烧技术制备Pd-SnO2气敏传感器;其次采集Pd-SnO2气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据;然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值,进而产生多位高稳态PUF数据;最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估.实验结果表明,该PUF发生器的随机性为97.03％、可靠性为97.85％、唯一性为49.04％,可广泛应用于物联网安全领域.     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点,但在实际应用中也面临各种安全威胁。确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点。该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究,提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案。该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料,结合高温煅烧技术制备Pd-SnO₂气敏传感器;其次采集Pd-SnO₂气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据;然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值,进而产生多位高稳态PUF数据;最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估。实验结果表明,该PUF发生器的随机性为97.03%、可靠性为97.85%、唯一性为49.04%,可广泛应用于物联网安全领域。     

基于隧穿磁阻磁强计的软物理不可克隆函数设计

隧穿磁阻(TMR)传感器相比于其他类型磁阻传感器功耗更低、灵敏度更高、可靠性更好,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景。该文针对TMR传感器的微弱信号检测和安全防护等问题,提出一种高精度TMR传感器读取专用集成电路(ASIC)和提取传感器物理不可克隆函数(PUF)特性的设计方案。该方案通过设计前端低噪声仪表放大器和高精度模数转换器,并结合斩波技术和纹波抑制技术,实现高精度信号读取和模数转换;利用具备数字输出功能的TMR磁强计比较不同传感器零位偏差,采用多位随机平衡算法完成TMR磁强计的软PUF设计,可产生128 bit PUF响应。TMR传感器读取ASIC利用上海华虹0.35 μm CMOS工艺完成流片,并测试磁强计功能和TMR-PUF性能。实验结果表明,在5V电源电压下,TMR磁强计系统功耗约10 mW,噪底可达–140 dBV,3次谐波失真–107 dB;TMR-PUF的唯一性达到47.8%,稳定性为97.85%,与相关文献比较性能优异。     

利用多路选择器熵源的高移植性轻量级物理不可克隆函数研究

SR锁存器物理不可克隆函数 (Physical Unclonable Function, PUF) 是基于 FPGA 实现的最流行加密应用,在轻量级物联网设备中拥有广阔的市场。为了实现对称无偏SR锁存PUF,研究人员提出了不同的实现方法,这些方法增加了面积消耗。该文提出一种新型的基于MUX单元的延迟门来构成M_SR PUF单元,并将稳定状态下SR锁存器的输出提取作为PUF的响应。为了验证所提出的 M_SR PUF,该文在 Xilinx Virtex-6,Virtex-7 和 Kintex-7 3个系列的 FPGA 上进行了实现。值得一提的是,对称布局通过“硬宏”实现相对简单,保证了PUF更好的性能。实验结果表明,所提出的M_SR PUF可以在超宽范围的环境变化(温度：0°C～80°C;电压：0.8～1.2 V)下稳定工作,平均唯一性为50.125%。此外,所提出的 M_SR PUF 单元具有低开销的特点,仅消耗 4个 MUX 和 2个 DFF,并产生适合硬件安全应用的高熵响应。     

FPGA-based Physical Unclonable Functions: A comprehensive overview of theory and architectures

Physically Unclonable Functions (PUFs) are a promising technology and have been proposed as central building blocks in many cryptographic protocols and security architectures. Among other uses, PUFs enable chip identifier/authentication, secret key generation/storage, seed for a random number generator and Intellectual Property (IP) protection. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are re-configurable hardware systems which have emerged as an interesting trade-off between the versatility of standard microprocessors and the efficiency of Application Specific Integrated Circuits (ASICs). In FPGA devices, PUFs may be instantiated directly from FPGA fabric components in order to exploit the propagation delay differences of signals caused by manufacturing process variations. PUF technology can protect the individual FPGA IP cores with less overhead. In this article, we first provide an extensive survey on the current state-of-the-art of FPGA based PUFs. Then, we provide a detailed performance evaluation result for several FPGA based PUF designs and their comparisons. Subsequently, we briefly report on some of the known attacks on FPGA based PUFs and the corresponding countermeasures. Finally, we conclude with a brief overview of the FPGA based PUF application scenarios and future research directions.     

随机掺杂波动引起的6T SRAM访问失效率分析

对6T SRAM的访问时间进行解析,得到在随机掺杂波动影响下6T SRAM访问时间的模型,结果与HSPICE仿真结果相符.通过分析偏置技术与访问失效率的密切关系,提出采用偏置技术降低存储单元访问失效率的方法.     

Unpredictably Disordered Distribution of Hetero-Blended Graphene Oxide Flakes with Non-Identical Resistance in Physical Unclonable Functions

In this study, a new concept of physical unclonable functions (PUFs) is introduced comprising reduced graphene oxide (GO) materials. To create a disordered conductivity distribution, two types of GO are used: HGO, are produced by the conventional Hummers’ method, and PGO, produced by Brodie's method with an additional unique purification procedure. It is found that PGO becomes graphene-like after room-temperature chemical reduction. These two reduced GOs have a distinct conductivity difference of up to 10⁴ times. By blending these two materials, a random mixture is created that can generate a highly unpredictable electrical signal, serving as an ideal security key with strong randomness and uniqueness. The optimized PUF device, based on this approach, demonstrates excellent performance in generating secure keys.     

Correlation Functions for Random Granular Media in Strong Fluctuation Theory

An analysis of two fourth-rank correlation tensors for granular media arising in strong fluctuation theory is given. It is shown that the nonvanishing components of these tensors may be expressed as a Euclidean inner product of a correlation matrix which depends only on statistics relating to the geometry of the random inhomogeneities with nonrandom vectors depending on the dielectric properties of the constituents of the random medium. General properties of this correlation matrix are derived and related to characteristics such as the number of constituents, their volume fractions, and specific surface areas. Examples are given and methods for determining the correlation matrix both experimentally and analytically are discussed.