面向物联网安全应用的超低功耗物理不可克隆函数电路研究

作     者：郑文翰 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹建民

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0839[工学-网络空间安全] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：物理不可克隆函数 仲裁器PUF 电流模式PUF 超低功耗设计 硬件安全 

摘      要：物理不可克隆函数电路(physical unclonable function,PUF)是近年来伴随物联网兴起而蓬勃发展的新兴硬件安全技术。PUF具有的无需存储、防篡改能力、随机性、低成本、低功耗、小体积等优势,使其在物联网硬件信息安全领域具有广泛的应用前景。但物联网硬件设备往往工作在复杂的环境中并且对成本和能源有要求,这些限制因素都对PUF技术的应用形成诸多阻碍。因此,在确保PUF电路仍然能够具有高度稳定性的前提下,本文主要针对面向物联网安全PUF技术应用的超低功耗设计问题进行研究。首先,本文基于经典的仲裁器PUF(arbiter PUF,APUF)结构为其提出了一个具有高能效和高温度稳定性的方案。钳流(current-starved,CS)反相器被插入到每一个多路选择器的输入去降低传统反相器信号翻转的斜率并拓宽由输入激励选择的两条对称链式路径的时间延迟偏差。CS反相器被偏置在零温度效应点(zero temperature coefficient,ZTC),使两条对称链式路径累积延迟对温度变化不敏感,并且被限制的CS反相器漏电流也有效降低了APUF的动态功耗。同时,本文还提出了一种基于两个完全对称RS锁存器的仲裁器去克服传统仲裁器面临的非对称问题(基于D触发器的仲裁器)和亚稳态问题(基于一个RS锁存器的仲裁器)。本文提出的APUF设计已经采用标准65nm工艺流片并且成功验证以上性能。该芯片具有紧凑的硅面积(3838 um)、较低的能耗(在25Mbps的工作条件下,2.74pJ/bit)、46.8%的唯一性和0.8%的本征误码率。这些物理测量的性能参数优于已经报道的同类型APUF。其次,本文针对电流模式PUF中的电流比较电路结构复杂和功耗过大的问题提出了一个基于胜者全拿(winner-take-all,WTA)电路的失配电流差异数字化的方法。该WTA结构不仅简化了电流比较电路,而且功耗和电流差异的计算时间也都被有效的降低。同时,基于WTA结构的电路特性,本文还提出了仅需要简单逻辑电路就可以被实现的不稳定位检测方法(unstable bit detection,UBD),该方法不仅可以提高PUF响应位的稳定性还可以降低测试成本。为了验证整套方案的有效性,本文设计了一款基于电流镜阵列的PUF。该PUF采用标准65nm工艺并成功流片。测试结果表明,WTA电路的静态功耗只有0.902uW,在13.3Mhz的工作频率下,整体功耗为5.42uW,而能耗只有0.41pJ/b。同时,将本文提出的UBD方法和另一个不稳定位稳定方法(TMV5)结合,常温常压下的不稳定位和误码率可以被降低到0%。而在-40℃和120℃的温度变化范围内,误码率被降低到0.31%/10℃,在1.72V和1.88V的供电电压变化范围内,误码率被降低到0.14%/0.1V。以上两类误码率分别较原始误码下降了84.88%和73.58%。唯一性在应用稳定方案后依然达到50.1%。而该PUF响应位集合在95%置信区间中的自相关系数是±0.0324。以上两种类型的PUF都具有高稳定性并通过了NIST随机性测试,同时超低功耗的特性达到了研究目的,满足了设计要求。