[发明专利]基于仲裁器PUF的可靠性增强结构及增强方法

说明书

本发明公开了一种基于仲裁器PUF的可靠性增强结构及增强方法，包括仲裁器PUF电路，仲裁器PUF电路包括仲裁器模块和与其连接的第一延迟路径和第二延迟路径，第一延迟路径和第二延迟路径由N对延迟单元和N个开关单元逐级交互级联形成，延迟单元包括两个完全相同且相互并联的第一三态反相器矩阵，仲裁器模块包括仲裁器和稳定电路模块，稳定电路模块分别与仲裁器、第一延迟路径和第二延迟路径连接；其有益效果是：通过创新APUF的整体结构，在不增加延时路径级数的前提下，增加CRPs的数量，以提高APUF的唯一性；通过创新APUF中延迟单元中的微观结构，并引入一个稳定电路模块，提高APUF的可靠性。

技术领域

本发明涉及硬件信息安全技术领域，具体涉及一种基于仲裁器PUF的可靠性增强结构及增强方法。

背景技术

物理不可克隆函数(PUF)利用芯片在制造过程中不可避免的工艺偏差，实现把一组二进制输入比特流单向转换为一组二进制输出比特流的函数功能。PUF的输入比特流一般称作激励(Challenge，C)，输出比特流一般称作响应(Response，R)，一般的，一个激励唯一的对应一个响应，将这组激励-响应信号称作激励响应对(Challenge-Response Pairs，CRPs)。由于PUF芯片提取的工艺偏差具有很强的随机性，即使是制造商也很难精准复制该随机偏差，无法制造出两片完全相同的PUF实体，即“不可克隆性”。利用其不可克隆性，PUF可以用于身份识别与认证、密钥产生、知识产权保护等信息安全应用。除了不可克隆性，PUF还有两个非常重要的性能指标，即唯一性和可靠性。唯一性是描述一个PUF结构中不同PUF实体之间差异程度的指标，理想情况下，在给定环境下向一个PUF结构的不同PUF实体输入一组相同的激励，其输出响应应当是独立且不相关的，如果响应之间比较相似，则该PUF结构的唯一性较差。可靠性是描述一个PUF实体在不同工作条件下稳定程度的指标，理想情况下，对一个PUF实体输入同一个激励，输出响应应该是稳定不变的，但是在环境温度或工作电压发生波动时，输出响应可能会发生跳变，从而降低PUF的可靠性。

仲裁器PUF(Arbiter PUF，APUF)是一种典型的延时型PUF电路，具体结构如图6所示。APUF由两条完全对称的延时路径和仲裁器组成，仲裁器根据比较脉冲信号在两条延时路径中的传输延时输出响应。其中两条延时路径由n个开关单元级联而成，每个开关单元有两个输入端和两个输出端，并且根据激励位Ci决定它们是直接相连还是交叉相连，仲裁器可以由RS触发器或D触发器充当。可以发现，每级开关单元都需要1位激励，因此可以产生2ⁿ种延迟路径，由于制造过程中不可避免的工艺偏差，经过激励位配置的延时路径不可能完全对称，其延时也不可能完全相同，最后两条延时路径的延时信号经过仲裁器判决后可以产生2ⁿ个CRPs。

然而，传统的APUF电路在实际应用中存在两个问题：

唯一性问题。传统APUF由于其结构设定，若想增加CRPs数量以提高APUF的唯一性，就必须要增加延时路径的级数，即增加开关单元的数目，但是这样必然会大大增加APUF电路的硬件开销，并增大电路工作的能耗。

可靠性问题。APUF作为一种硬件安全原语，其响应的可再现性会受到工作条件(主要是环境温度和工作电压)的影响，现行提高可靠性的方法要么需要较大的硬件开销，要么需要复杂的纠错算法，这非常不利于APUF电路的轻量化和集成化。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供了一种基于仲裁器PUF的可靠性增强结构及增强方法，可以在不需要增加延时路径级数的前提下，增加CRPs的数量，以提高APUF的唯一性；并且通过创新APUF中延迟单元中的微观结构，提高APUF的可靠性。