動(dòng)態(tài)可配置多輸出RO PUF設(shè)計(jì)研究

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。

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?，以保證每條路徑的穩(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(mén)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?？梢钥闯觯琑O1-1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。