[发明专利]一种高稳定性的强物理不可克隆函数电路及其设计方法

说明书

本发明适用于信息安全领域及集成电路领域，提供了一种高稳定性的强物理不可克隆函数电路及其设计方法，该物理不可克隆函数电路包括：时延生成模块，用于根据强物理不可克隆函数电路的输入激励，将同一跳变通过多条时延路径进行传播，同时产生多个时延值；时延比较模块，用于从多个时延值中选出多对时延值进行时延差比较，并将各对时延值的时延差按大小划分为多个等级；响应计算模块，用于根据各对时延值的时延差等级，计算强物理不可克隆函数电路的输出响应；稳定判别模块，用于根据各对时延值的时延差等级，判别激励响应对是否稳定。本发明在保证强物理不可克隆函数电路抗攻击性的同时，能够实时在线测量时延差，进而大幅度提高稳定性。

技术领域

本发明涉及信息安全领域及集成电路领域，属于一种硬件安全设计方法，特别是涉及一种高稳定性的强物理不可克隆函数电路及其设计方法。

背景技术

近年来，随着电子设备的广泛使用，安全和隐私成为重要问题。被认为能永久存储和不被攻击者所知的密钥是传统密码学的核心，然而，很多攻击方法已经能破解密钥，这就使得密钥不足以保证安全。为有效地解决安全问题，物理不可克隆函数电路(PhysicalUnclonable Function，PUF)应运而生，它是一种硬件部件，能更有效地应对安全问题。

PUF利用芯片制造时不可避免的工艺偏差产生特定的输入输出对，又称激励响应对(Challenge-Response Pair，CRP)。即使是同样的电路设计，在制造过程中的工艺偏差使得不同芯片的PUF，面对相同的输入激励，可能会产生不同的输出响应，即CRP不同。由于工艺偏差本身难以控制和预测，因此，这些CRP既不能在PUF制造前被预测，也难以在PUF制造后被复制。这相比于传统密钥，具有更大的优势。PUF的这种特性使其在安全领域得到了广泛应用，如知识产权保护、鉴定、认证、识别等。

广义上讲PUF可以被分为两类：弱PUF和强PUF。这里的强和弱并非指它们的安全性高低，而是CRP的数量多少，他们的特征分别如下。

弱PUF只有很少量的CRP，多数情况下一个弱PUF只有一个CRP。例如，介电粒子层PUF是一种弱PUF，在制造时，随机的撒上一层介电粒子，由于它们的分布难以预测，因此介电粒子层PUF依据随机覆盖的介电粒子层所决定的电容大小产生响应。又如，静态随机存取存储(Static Random Access Memory，SRAM)PUF是另一种弱PUF，受工艺偏差的影响，每个SRAM单元都具有不同的电气特性，在芯片上电的瞬间，不同的SRAM单元之间会随机并且独立地存储0或1，而自然形成了一个CRP。其它一些存储单元如闪存、动态随机存取存储器、忆阻器等同样也具有类似的特性，因而可以用来构造弱PUF。由于基于存储单元的弱PUF只在上电的时候会产生响应，因此相比于存储在非易失性存储器中的密钥更加安全。

与弱PUF相比，强PUF则拥有大量CRP。仲裁PUF是一种典型的强PUF，它通过比较两条路径传播跳变的时延来确定响应，每条路径由多个子路径构成，而子路径的选择则是由激励所决定，不同的激励构造的两条路径不相同，而它们的时延大小也不尽相同，从而产生了随机的响应。仲裁PUF受到建模攻击的严重威胁，为了提高仲裁PUF的安全性，前馈仲裁PUF、异或仲裁PUF、轻量仲裁PUF、电流镜PUF等改进型仲裁PUF被提出。前馈仲裁PUF通过比较部分路径的时延大小来指导剩余路径中子路径的选择；异或仲裁PUF将多个仲裁PUF的响应进行异或作为最终的响应；轻量仲裁PUF仍然使用异或门对多个仲裁PUF的响应进行异或计算，但一次性得到多个响应比特；电流镜PUF则引入电流代替时延进行比较。在这些改进型仲裁PUF中，基于多条时延路径的异或仲裁PUF被认为具有最好的抗建模攻击性，尤其是随着时延路径数目的增多，其抗建模攻击性也越发强大。

虽然基于多条时延路径的异或仲裁PUF在时延路径数目较大的时候能够有效抵抗建模攻击，然而随着时延路径数目的增大，其稳定性却快速下降，严重限制了异或仲裁PUF的应用。