基于环形振荡器的物理不可克隆函数的设计与验证

第19卷第7期基于环形振荡器的物理不可克隆函数的设计与验证胡鹏，魏江杰，周昱，张荣，魏敬和（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）摘要：为了验证物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction,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（RingOscillator,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%。关键词：物理不可克隆函数；环形振荡器；唯一性；可靠性中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1681-1070渊2019冤07-0033-04中文引用格式：胡鹏，魏江杰，周昱，等.基于环形振荡器的物理不可克隆函数的设计与验证[J].电子与封装，2019,19渊7冤:33-36.英文引用格式：HUPeng,WEIJiangjie,ZHOUYu,etal.DesignandVerificationofRO-basedPUFonFPGA[J].Electronics&Packaging,2019,19渊7冤:33-36.DesignandVerificationofRO-basedPUFonFPGAHUPeng,WEIJiangjie,ZHOUYu,ZHANGRong,WEIJinghe渊ChinaElectronicTechnologyGroupCorporationNo.58ResearchInstitute,Wuxi214072,China冤Abstract:TovalidatetheeffectivenessofaPhysicalUncloneableFunction(PUF),itneedstobecharacterizedbydelaymodeloveralargepopulationofchips.Thoughsimulationmethodscanshowapproximateresults,anon-chipexperimentproducesmoreaccurateresults.ThispaperincludesthetestoftheRingOscillatorbasedPUFsonseveralsame-modelFPGAswiththehard-macromadebyFPGAtool.Thecoreprocessofthedesigniscountingtheoscillatingfrequenciesinpairsandcomparingthecounters'valuestoforma1024-bitresponse.Weobtaintheintra-dieandinter-dieHammingdistancebytheexperimentsandtreatthemasthequalityfactorsofaPUFsuchasuniquenessandreliability.Theresultsshowanaverageuniquenessof48.01%,andanaveragereliabilityof1.75%.Keywords:physicaluncloneablefunction;ringoscillator;uniqueness;reliability第19卷，第7期Vol.19，No.7电子与封装ELECTRONICS&PACKAGING总第195期2019年7月收稿日期：2019-01-111引言片上物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction,PUF）是一种来自于生产制造过程中的工艺漂移导致的芯片与芯片间不同的激励-响应函数[1]，它可以在芯片上电后产生随机响应或签名。对物理探测的敏感性使得PUF对外界侵入式攻击免疫，因此在IP保护、芯片鉴权、密钥生成和受信计算[1]等应用场景下，PUF均可发挥作用。基于环形振荡器（RingOscillator,RO）的PUF是众多PUF技术中的一种，它利用若干个版图相同的RO间的频率差异来产生激励-10.16257/j.cnki.1681-1070.2019.070933--第19卷第7期电子与封装响应对[2]。本文介绍了一种RO架构PUF的设计，并重点阐述了该设计在FPGA平台上的验证过程[3]，最后对验证的结果做出简要的分析。此前针对RO-PUF的研究，主要都源自P.Schaumont教授的研