是什么讓PUF技術(shù)成為密碼學(xué)中最好的保護(hù)之一？

物理不可克隆功能（PUF）用于密碼學(xué)和嵌入式安全IC中，以生成按需密鑰，這些密鑰在使用后立即被擦除。PUF技術(shù)之所以如此有效，是因?yàn)樗陔S機(jī)物理因素（不可預(yù)測(cè)和不可控制），這些因素是原生存在的和/或在制造過(guò)程中偶然引入的。因此，PUF 幾乎不可能復(fù)制或克隆。

PUF 技術(shù)原生為其關(guān)聯(lián)的安全 IC 生成數(shù)字指紋。然后，此數(shù)字指紋用作唯一的密鑰/機(jī)密，以支持加密算法和服務(wù)，包括加密/解密、身份驗(yàn)證和數(shù)字簽名。如果有人試圖使用微探測(cè)或其他侵入性技術(shù)來(lái)尋找PUF密鑰，則此活動(dòng)將破壞用于構(gòu)建PUF密鑰的敏感電路并使輸出無(wú)用。這就是PUF技術(shù)為嵌入式系統(tǒng)提供如此強(qiáng)大的安全性的方式。

圖 1 提供了兩個(gè)獨(dú)立示例器件的簡(jiǎn)化的一般視圖，每個(gè)器件都有一個(gè)基于 64 位 PUF 的密鑰。

圖1.下面是兩個(gè)設(shè)備及其 PUF 密鑰生成塊的簡(jiǎn)化的一般視圖。

圖 1 中的每個(gè)器件都有 64 個(gè)不同的 PUF 模塊，可生成 1 位數(shù)據(jù)。然后移動(dòng)位以創(chuàng)建 64 位密鑰?，F(xiàn)在我們的目標(biāo)是為這些設(shè)備中的每一個(gè)提供獨(dú)立的密鑰，這些密鑰在電壓、溫度和期限內(nèi)都是可重復(fù)的。設(shè)備 1 將生成一個(gè)密鑰，該密鑰將具有與設(shè)備 2 生成的密鑰不同的足夠數(shù)量的位。但是，每個(gè)器件按鍵在指定的電壓和溫度范圍內(nèi)將保持不變。

讓我們?cè)敿?xì)考慮其中一個(gè)設(shè)備的 PUF 塊的潛在實(shí)現(xiàn)。圖2提供了基于環(huán)形振蕩器頻率變化的簡(jiǎn)單PUF實(shí)現(xiàn)方案。

圖2.使用環(huán)形振蕩器生成PUF數(shù)據(jù)位。

在這個(gè)例子中，讓我們假設(shè)每個(gè)PUF模塊都有兩個(gè)環(huán)形振蕩器，產(chǎn)生略有不同的頻率。在 PUF 塊 1 中，F(xiàn)1 將與 F2 略有不同，這將允許比較塊根據(jù) F0 是否比 F1 快生成位 2 或位 1。

這種設(shè)計(jì)如何幫助解決電壓、溫度和年齡變化？我們將比較兩個(gè)值以生成位，而不是基于一個(gè)頻率輸出。因此，如果電壓越高，F(xiàn)2 也會(huì)增加，但兩個(gè)值之間的增量應(yīng)該保持不變。這導(dǎo)致使用不同的施加電壓產(chǎn)生相同的位值。溫度和老化的影響可以通過(guò)類似的方式減輕。

當(dāng) PUF 塊 2 到 64 被實(shí)例化時(shí)，它們內(nèi)部的環(huán)形振蕩器塊將以不可預(yù)測(cè)的方式產(chǎn)生略有不同的頻率。這會(huì)導(dǎo)致位 1 到 64 的位模式不可預(yù)測(cè)。雖然整體位模式不能預(yù)測(cè)，但實(shí)際生成的位模式是可重復(fù)的，因?yàn)槊總€(gè)塊總是產(chǎn)生相同的位。

你不能偷一個(gè)不存在的鑰匙

Maxim Integrated已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種名為ChipDNA的PUF技術(shù)實(shí)現(xiàn)。它不像我們討論的那樣基于環(huán)形振蕩器。相反，ChipDNA從根本上從MOSFET半導(dǎo)體器件的模擬特性的自然隨機(jī)變化和不匹配中運(yùn)行。這種隨機(jī)性源于與前面描述的類似的因素：氧化物變化、閾值電壓的器件間不匹配、互連阻抗以及晶圓制造中通過(guò)不完美或不均勻的沉積和蝕刻步驟存在的變化。ChipDNA還采用專利方法運(yùn)行，以確保每個(gè)PUF電路生成的唯一二進(jìn)制值具有高加密質(zhì)量，并保證在溫度，電壓和器件使用壽命內(nèi)可重復(fù)。

審核編輯：郭婷