PUF 物理不可克隆功能

鳄鱼儿

发布于 2024-05-21 15:42:05

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发布于 2024-05-21 15:42:05

实体无法复制功能（Physicalunclonable function）,又称物理不可仿制功能、物理不可复制函数、物理不可复制功能，简称 PUF，是一种硬件的安全技术，它利用自然的生产环境生产出唯一辨识码，可用于防止半导体的篡改、窃取智慧产权，相较于传统方法，不需要将私钥存储在硬件中，免去了金钥遗失的风险，也显著提高了安全等级。今日，芯片中的实体无法复制功能，被广泛应用在高标准安全要求及加密中。——维基百科

PUF 的种类

SRAM PUF（静态随机存储器 PUF）：SRAM PUF 利用了SRAM单元内部的微小随机差异，这些差异导致了每次上电时SRAM单元的不同偏向状态。这种不可预测的偏向状态可以用于生成设备的唯一标识符或密钥。
仲裁 PUF：仲裁 PUF 基于电路中的信号传播延迟。由于制造过程中的微小差异，相同电路中的信号可能会在不同时间到达终点，从而形成独特的特征。
RO PUF（环形振荡器 PUF）：RO PUF 使用环形振荡器电路，其中频率由微小的制造差异引起。这些差异导致每个芯片上的环形振荡器频率不同，可用于生成唯一标识。
VIA PUF：VIA PUF 利用芯片上的VIA（穿越孔）的制造规则和特性。通过设计规则，制造不同大小的VIA，并根据工艺差异来提取出PUF。

这些不同类型的PUF都有各自的应用领域和优势，但它们的共同点是都依赖于硬件中的微小差异来生成唯一性。这些技术在物联网安全、设备身份认证和密码学中发挥了关键作用。

PUF 特性

物理不可克隆功能（PUF）具有多个关键特性：

不可预测性：PUF 的行为是由微小的物理差异引起的，这些差异无法事先被预测或模拟。因此，无法通过计算或分析来推断出PUF的值，增加了攻击者破解的难度。
唯一性：每个PUF是独特的，即使它们来自相同生产线上的芯片也不同。这种唯一性使得PUF成为生成唯一设备标识符或密钥的理想选择，有助于设备身份认证和数据加密。
无需存储：PUF的值无需额外存储在芯片上或外部存储设备中。它们可以实时从芯片的硬件电路结构中提取，因此无需独立的存储器件，减少了硬件复杂性和成本。
防克隆性：由于PUF值是由芯片内部的物理特性确定的，无法简单地复制或克隆。这使得对PUF值的未经授权的复制变得极为困难，增强了设备和数据的安全性。
防篡改性：PUF值通常难以定位和修改。即使攻击者能够访问芯片，也很难操纵PUF值，因为它们是由硬件特性产生的，而不是存储在可修改的存储器中。

这些特性使PUF技术在信息安全领域中得以广泛应用，在物联网设备、电子身份认证、硬件安全模块（HSM）、加密通信和数字签名等领域发挥着重要的作用，为安全性和可信度提供了关键支持。

基于 SRAM 的 PUF

因深度亚微米制造工艺的变化，集成电路（IC）中每个晶体管的物理性能均略有差异。这些差异包括但不限于晶体管的阈值电压和增益系数等电子特性，虽微小却可衡量。然而，正因为这些工艺变化难以在制造过程中得以完全掌控，因此无法复制或克隆特定的物理设备属性。

每次对 SRAM 单元上电时，由于阈值电压的微小差异，每个 SRAM 单元都会显示自己独特的偏向状态，即逻辑“0”或“1”。这种偏向状态不受相邻单元的影响，也与芯片或晶圆上的位置无关。

因此，每片 SRAM 区域都会生成一种独特的 0 和 1 随机分布。这一分布可被视为 SRAM 指纹，因为它对于每片 SRAM 是独一无二的，进而对于每颗芯片也是唯一的。这使其成为物理不可克隆功能（Physical Unclonable Function, PUF）的应用之一。

从基于 SRAM PUF 派生的密钥不需要“存储在芯片上”，而是根据需要实时从芯片中提取。这意味着这些密钥只会在芯片内临时存在，极大提高了系统的安全性。当 SRAM 未通电时，芯片上根本不存在密钥，进一步巩固了整个解决方案的安全性。这种机制为数据安全和设备身份认证提供了高度可信的保护。

深亚微米工艺变化确实在制造过程中被固定下来，这意味着SRAM单元的上电初始值偏向性是长期且相对稳定的。然而，即使在相同的工艺下，仍然存在一定程度的不确定性和噪音。

这种噪音是由于一些SRAM单元的阈值电压非常接近平衡点，因此它们的上电初始状态可能会表现出不稳定性，看起来是随机的，并且没有明显的偏向性。这种情况导致在每次上电启动时，芯片的初始状态可能会略有不同，这一部分不同被称为噪音。这种噪音的具体程度可能受温度、电压变化和工作条件的影响。

尽管存在噪音，SRAM PUF的整体特性仍然具有足够的唯一性和不可预测性，可用于生成设备的唯一标识符或密钥。这种噪音通常被我们所考虑和管理，以确保PUF的性能在可接受的范围内，同时维持足够的安全性和可靠性。

密钥提取

密钥提取通常分为两个关键阶段：系统注册阶段和密钥重建阶段。这两个阶段协同工作以确保安全地生成和重建密钥。

系统注册阶段是一次性过程，其目标是将PUF（物理不可克隆功能）的响应映射到纠错代码的码字。在这个阶段，有关映射的信息被存储在激活码（AC）或辅助数据中。激活码的构造旨在确保不泄漏任何关于密钥的信息。AC通常应存储在PUF算法可以访问的存储器中，但也可以存储在芯片之外，因为它本身不包含敏感信息。值得注意的是，任何对AC的更改，无论是出于恶意目的还是其他原因，都将阻止密钥的成功重构。每个AC只对创建它的芯片有效。

密钥重建阶段是在每次设备运行身份验证协议并需要PUF密钥时进行的过程。在这个阶段，会重新进行PUF测量，包括了带有噪声的PUF响应，并从AC和新的PUF响应中提取出无噪声的PUF密钥。这一过程是动态的，每次设备需要密钥时都会执行，以确保密钥的实时性和安全性。这个过程有时也被称为密钥重构。

需要注意的是，R代表注册阶段时的初始PUF响应，而R'代表带有噪声的重构阶段时的PUF响应。这种两阶段的方法有助于维持密钥的安全性和可信度，同时减少了潜在的攻击风险