環(huán)形振蕩器物理不可克隆函數(shù)詳解

摘 要： 針對(duì)已提出的環(huán)形振蕩器物理不可克隆函數(shù)(Ring Oscillator Physical Unclonable Functions)輸出位數(shù)少和魯棒性不足的缺點(diǎn),提出了由多輸出環(huán)振蕩器和動(dòng)態(tài)配置處理模塊組成的動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF。多路輸出環(huán)振蕩器用于提高芯片資源利用率和增加輸出位數(shù)。動(dòng)態(tài)配置處理模塊根據(jù)工作環(huán)境的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整振蕩器結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)RO PUF和可配置RO PUF, 動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF展現(xiàn)出更高的片間漢明距離和更低的片內(nèi)漢明距離，可進(jìn)一步提取芯片ID的精度。

關(guān)鍵詞： RO PUF；多輸出環(huán)振蕩器；動(dòng)態(tài)配置處理模塊；漢明距離

中圖分類號(hào)： TP331

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170750

中文引用格式： 劉勇聰，王建業(yè)，丁浩. 動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：43-45,49.

英文引用格式： Liu Yongcong，Wang Jianye，Ding Hao. Dynamic configurable multi-output RO PUF[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：43-45,49.

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，芯片信息安全越來(lái)越受重視。而環(huán)形振蕩器物理不可克隆函數(shù)(RO PUF)在信息安全領(lǐng)域作為一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù)，在芯片信息安全領(lǐng)域備受關(guān)注^[1]。傳統(tǒng)RO PUF通過(guò)比較放置在同一芯片不同位置的一對(duì)環(huán)形振蕩器的頻率來(lái)生成輸出0或1。由于隨機(jī)的工藝偏差,輸出位將因芯片的不同而變得無(wú)法預(yù)測(cè)^[2]。因此，基于傳統(tǒng)RO PUF的可配置的RO PUF被提出來(lái)。在可配置RO PUF中, 輸出位通過(guò)最大頻率差的配置向量生成^[3]，從而可以降低工藝偏差帶來(lái)的影響。

然而，不論是傳統(tǒng)RO PUF還是可配置RO PUF都存在一個(gè)相同的不足：通過(guò)比較兩個(gè)環(huán)形振蕩器頻率的不同只能產(chǎn)生一位輸出。為了產(chǎn)生更多的輸出位，只能不斷增加振蕩器數(shù)量。雖然頻率比較的方法可以提高輸出位數(shù)，但是有限的芯片資源限制了可配置RO PUF的實(shí)際運(yùn)用^[4]。

根據(jù)以上不足，本文提出了動(dòng)態(tài)可配置多路輸出RO PUF。不僅從根本上增加了輸出位數(shù)，而且可以根據(jù)實(shí)際需求確定輸出位的數(shù)量。同時(shí)，振蕩器的結(jié)構(gòu)隨工作條件的變化而相應(yīng)的改變，因此可以提高芯片的魯棒性和安全性。

1 多輸出環(huán)形振蕩器

多輸出環(huán)形振蕩器由反相器、開(kāi)關(guān)單元和路徑分配器組成，路徑分配器是動(dòng)態(tài)可配置多路輸出RO PUF的基礎(chǔ)。多輸出結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器如圖1所示。

圖1中所有開(kāi)關(guān)單元都與仲裁器PUF^[5]中的開(kāi)關(guān)單元一致。如果在開(kāi)關(guān)S[0..2]配置位是‘1’，信號(hào)將在對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)交叉，否則信號(hào)將平行通過(guò)。圖1中由3個(gè)開(kāi)關(guān)單元組成的振蕩器共有8(2³=8)種信號(hào)傳輸模式。路徑分配器用以確保信號(hào)不會(huì)在振蕩器上下路徑之間交叉?zhèn)鞑ィ员ＷC每條路徑的穩(wěn)定振蕩。信號(hào)從路徑分配器的輸出端開(kāi)始傳輸，通過(guò)反相器和開(kāi)關(guān)單元，最后回到路徑分配器的輸入引腳。路徑分配器根據(jù)每個(gè)信號(hào)的配置向量決定信號(hào)的流向，確保信號(hào)重新開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，會(huì)沿著之前的路徑流動(dòng)。不同的配置向量將導(dǎo)致不同的信號(hào)傳輸模式。不同的傳輸模式導(dǎo)致不同傳輸延遲的線路和門電路，從而產(chǎn)生不同的振蕩頻率。

相比傳統(tǒng)RO PUF中和可配置RO PUF振蕩器只能產(chǎn)生一位輸出，該振蕩器只占一個(gè)LAB卻可以產(chǎn)生2個(gè)輸出位。除此之外，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)單元的通斷和路徑分配器的信號(hào)分配路徑，該振蕩器還可以產(chǎn)生更多的輸出位。

圖2表示一對(duì)多輸出環(huán)形振蕩器和4個(gè)輸出位(RO1-1、RO1-2、RO2-1、RO2-2)。RO1和RO2的配置向量相同。通過(guò)邏輯鎖存器，RO1-和 RO2-1具有相同的路徑。所以RO1-和RO2-1(或RO1-2and RO2-2)唯一的區(qū)別就是物理工藝偏差。因此，RO1-1和 RO2-1(或RO1-2and RO2-2)頻率比較結(jié)果可以作為一個(gè)輸出位。

在Xilinx FPGA中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RO1-1和RO1-2在不同配置向量下的輸出頻率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RO1-1和RO1-2的輸出頻率確實(shí)存在差異。此外，隨著配置向量的不同，它們的輸出頻率也存在差異。因此，驗(yàn)證了多輸出振蕩器結(jié)構(gòu)確實(shí)能有效產(chǎn)生多個(gè)輸出位。

RO1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差在不同配置向量下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，RO1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差是不相關(guān)的。因此，它們的輸出不相互影響，可以看作兩個(gè)獨(dú)立輸出位。

表1列出了不同輸出位數(shù)多輸出RO和傳統(tǒng)RO的芯片資源占用情況。第二列表示不同輸出位數(shù)下，一對(duì)多輸出ROs用以產(chǎn)生不同的輸出位的LAB占用數(shù)量。第三列表示傳統(tǒng)RO產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的輸出位數(shù)所占用的LAB數(shù)量?？梢钥闯?，多輸出RO占用的芯片資源更少。例如，128位輸出需要65個(gè)兩位輸出ROs，占65個(gè)LAB，也可以由33個(gè)四位輸出ROs產(chǎn)生，占99個(gè)LAB， 但如果使用傳統(tǒng)的RO結(jié)構(gòu)，則需要129年ROs，占129個(gè)LAB，所占的LAB數(shù)量是最多的?？梢钥闯?，多輸出RO在芯片資源利用率上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 動(dòng)態(tài)配置過(guò)程模塊

動(dòng)態(tài)可配置多路輸出RO PUF的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。N個(gè)兩位輸出的一對(duì)環(huán)形振蕩器（ROs）通過(guò)比較相鄰ROs的頻率生成2(N-1)個(gè)輸出位。傳感器由五級(jí)環(huán)形振蕩器構(gòu)成，振蕩頻率與環(huán)境溫度和電源電壓成線性關(guān)系^[6]。傳感器主要用于檢測(cè)芯片工作情況。為了可以根據(jù)環(huán)境情況動(dòng)態(tài)調(diào)整相鄰振蕩器的結(jié)構(gòu)，從而確保相鄰的ROs保持一個(gè)相對(duì)較大的頻率差，當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，F(xiàn)SM控制器^[7]啟動(dòng)動(dòng)態(tài)配置過(guò)程從而計(jì)算出在當(dāng)前環(huán)境下的“最優(yōu)配置向量”。因此，環(huán)境對(duì)輸出位的影響將降低，從而動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF魯棒性得到提高。

“最優(yōu)配置向量”不是簡(jiǎn)單的產(chǎn)生最大的頻率差的向量。相反，它是由ROs的頻率差的分布來(lái)決定。對(duì)不同配置向量下所有的ROs的正頻率差進(jìn)行求和。如果上一個(gè)ROs的正頻率差大于下一個(gè)ROs的正頻率差，表明上下兩對(duì)ROs的頻率差為正，選擇可使正頻率差最大的配置向量作為“最優(yōu)配置向量”。相反，如果上一個(gè)ROs的正頻率差小于下一個(gè)ROs的正頻率差，選擇一個(gè)對(duì)應(yīng)的負(fù)頻率差最大的配置向量作為“最優(yōu)配置向量”，從而可以擴(kuò)大上下頻率差的絕對(duì)值，進(jìn)而提高比較精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)10個(gè)Xilinx Spartan XC3S1000 FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)通過(guò)快速單一鏈接（Fast Simple Link）接口傳輸?shù)組icroBlaze中進(jìn)行處理。每個(gè)FPGA通過(guò)65個(gè)ROs產(chǎn)生128位的輸出。每個(gè)輸出測(cè)量50次。分別對(duì)傳統(tǒng)RO PUF、可配置RO PUF和動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

RO PUF的平均片間漢明距離比例[8]可以表征同一類型PUF電路與其他個(gè)體的區(qū)分度。其計(jì)算方式如式(1)。

其中h_ij表示第i和第j個(gè)PUF電路產(chǎn)生的位輸出相應(yīng)，k是FPGA的個(gè)數(shù)。提取數(shù)據(jù)后計(jì)算可得不同RO PUF的平均片間漢明距離比例如表2所示。

對(duì)比以上3種RO PUF對(duì)總的位數(shù)輸出相應(yīng)的平均片間漢明距離比例結(jié)果可以看出，3種RO PUF的平均片間漢明距離比例都接近理想的50%,動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF片間漢明距離比例最高。但3種RO PUF都表現(xiàn)出良好的唯一性。因此，3種RO PUF的輸出都可以作為每個(gè)芯片ID。

片內(nèi)漢明距離可以描述PUF系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，其計(jì)算如式（2）所示。

其中，M為不同工作環(huán)境的個(gè)數(shù)，h_ri表示在理想工作條件(25 ℃，1.2 V)下和第i種工作情況對(duì)比條件下的n位輸出響應(yīng)。由于魯棒性和可靠性主要受環(huán)境溫度和電源電壓的影響。讓所使用的Xilinx FPGA分別工作在固定工作環(huán)境下和變化的工作環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)提取，分別對(duì)其片內(nèi)漢明距離進(jìn)行檢測(cè)。

(1)固定環(huán)境溫度和電源電壓情況下

在30 ℃，1.2 V接近理想工作環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)提取，不同RO PUF結(jié)構(gòu)的平均片內(nèi)漢明距離如表3所示。

在接近FPGA標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，測(cè)試誤差和片內(nèi)噪聲是影響其魯棒性的主要因素^[9]。由表可以看出，可配置RO PUF可以將該RO PUF對(duì)誤差和噪聲影響降至幾乎0。

(2)變化的環(huán)境溫度和電源電壓情況下

現(xiàn)實(shí)條件下，芯片的工作環(huán)境溫度和電源電壓總是在不斷的變化之中。因此，降低環(huán)境溫度和電源電壓對(duì)芯片ID提取的影響意義重大。表4列出環(huán)境溫度從-30 ℃變化到+70 ℃，電壓1.15 V變化到1.25 V時(shí)，3種RO PUF的平均片內(nèi)漢明距離比例變化情況。雖然在溫度變化時(shí)，動(dòng)態(tài)可配置RO PUF在ID提取上沒(méi)有很大優(yōu)勢(shì)，但是電源電壓改變時(shí),可配置多輸出RO PUF在位翻轉(zhuǎn)率最低，可更加精確地提取芯片ID。

4 結(jié)論

本文結(jié)合針對(duì)傳統(tǒng)RO PUF和可配置RO PUF輸出位數(shù)不足，占用芯片資源過(guò)多的現(xiàn)實(shí)情況，在可配置RO PUF的基礎(chǔ)上改進(jìn)，提出了動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF，在提高輸出位數(shù)和節(jié)約芯片資源的同時(shí)，還提高了系統(tǒng)的唯一性和魯棒性，進(jìn)而可提高提取芯片ID的精度。對(duì)應(yīng)用RO PUF進(jìn)行芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP核）保護(hù)意義重大。