CN103338108B - 生成密钥的方法、装置及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种生成密钥的方法、装置及芯片。所述方法包括：芯片接收输入信号；将所述输入信号转换为至少一个波形信号组；对所述至少一个波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值；根据所述响应值获取密钥。本发明实施例还提供了生成密钥的装置及芯片。本发明实施例所提供的生成密钥的方法、装置及芯片，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

Description

生成密钥的方法、装置及芯片

技术领域

本发明涉及微电子芯片技术领域，更具体而言，涉及一种生成密钥的方法、装置及芯片。

背景技术

传统的安全芯片应用中，密钥作为访问芯片的唯一标识信息，通过芯片内部算法计算生成后，存储在非易失性存储器（NVM，Nonvolatile Memory），比如只读内存（ROM，Read-Only Memory）或者闪存（Flash Memory）中，这种存储方式为相关技术人员所熟知，因此，存储在NVM中的密钥很容易被攻击者所获取，造成芯片中所存储的数据易被窃取，由于这种存储方式缺乏对密钥的保护措施，造成了芯片安全性差的问题。

为了解决这一问题，现有技术中提出了利用芯片的物理不可复制功能（PUF，Physical Unclonable Functions）对密钥进行保护，而PUF是利用芯片在生产过程中产生的细微的物理差异来实现的。

作为微电子芯片领域的新兴技术，现有的利用PUF保护密钥的方法，一般是利用芯片中导线的细微差异造成的导线阻值的细微差异生成密钥，而这种通过导线的细微差异生成密钥的方法，攻击者可以通过侵入芯片，对导线的形状进行分析，或者通过短路的方式测量得到精确的电阻值，导致密钥容易被获取，芯片安全性很差。

发明内容

本发明实施例提供了一种生成密钥的方法、装置及芯片，解决了密钥容易被获取，芯片安全性差的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种生成密钥的方法，包括：芯片接收输入信号；将所述输入信号转换为至少一个波形信号组；对所述至少一个波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值；根据所述响应值获取密钥。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，每个所述波形信号组均包括：对所述输入信号分别转换得到的第一波形信号和第二波形信号，所述第一波形信号与所述第二波形信号是类型相同的波形信号。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述对所述波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值，包括：分别对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值和第二计数值；当计数时间超过预设时间，比较所述第一计数值和所述第二计数值的大小；根据所述比较结果设置响应值。

结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述根据所述响应值获取密钥，包括：将所述响应值确定为密钥，或者，对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

第二方面，本发明实施例还提供了一种生成密钥的装置，包括：接收单元，用于接收输入信号；转换单元，用于将所述接收单元接收的输入信号转换为至少一个波形信号组；数字化单元，用于对所述转换单元转换得到的波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值；获取单元，用于根据所述数字化单元得到的响应值获取密钥。

在第二方面的第一种可能实现方式中，所述转换单元包括至少一组转换子单元，其中，每组所述转换子单元，用于将所述接收单元接收到的输入信号进行转换，得到第一波形信号和第二波形信号；其中，每组所述转换子单元转换得到的所述第一波形信号与所述第二波形信号的类型是相同的。

结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述转换子单元具体为：方波发生器。

结合第二方面或第二方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述数字化单元包括：第一计数单元、第二计数单元、比较单元和设置单元，其中，所述第一计数单元，用于对所述转换子单元转换得到的第一波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值；所述第二计数单元，用于对所述转换子单元转换得到的第二波形信号的信号周期进行计数，得到第二计数值；所述比较单元，用于比较所述第一计数单元得到的第一计数值与所述第二计数单元得到的第二计数值的大小；所述设置单元，用于根据所述比较单元的比较结果设置响应值。

结合第二方面或第二方面的第一种或第二种或第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述获取单元，具体用于将所述响应值确定为密钥，或者对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

第三方面，本发明实施例还提供了一种芯片，所述芯片包括第二方面所提供的生成密钥的装置。

由以上技术方案可知，本发明实施例所提供的生成密钥的方法、装置及芯片，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例提供的生成密钥的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的生成密钥的另一种方法流程图；

图3为本发明实施例提供的生成密钥的装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的生成密钥的装置的另一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的芯片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的生成密钥的示例的电路连接图；

图7为本发明实施例提供的生成密钥的另一示例的电路连接图；

图8为本发明实施例提供的振荡器的电路连接图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的生成密钥的方法流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤101：芯片接收输入信号；

其中，所述输入信号可以作为转换波形信号的激励信号。

步骤102：将所述输入信号转换为至少一个波形信号组；

其中，每个所述波形信号组包括：对所述输入信号分别转换得到的第一波形信号和第二波形信号，而且所述第一波形信号与所述第二波形信号是类型相同的波形信号。

此外，所述波形信号组的数量至少为一，而所述波形信号组的数量，可以根据使用者对芯片的安全程度的要求，预先设置，本发明对此不做限制。

需要指出的，当波形信号组的数量为多个时，每个所述波形信号组中所包含的波形信号，和其他波形信号组中波形信号可以是周期相同的波形信号，也可以周期不同的波形信号，而且所述多个波形信号组可以同时得到，也可以不同时得到，本发明对此不做限制。

步骤103：对所述至少一个波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值；

其中，所述对所述至少一个波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值，指对所述波形信号组中的波形信号的信号周期进行计数，比较，并根据比较结果，得到响应值，具体包括以下步骤：

分别对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值和第二计数值；当计数时间超过预设时间，比较所述第一计数值和所述第二计数值的大小；根据所述比较结果设置响应值。

步骤104，根据所述响应值获取密钥；

其中，所述根据所述响应值获取密钥包括，将所述响应值确定为密钥，或者，对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

由本实施例可知，本发明实施例所提供的生成密钥的方法，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

在上述实施例的基础上，参见图2，为本发明实施例提供的生成密钥的另一方法流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤201，芯片接收输入信号；

其中，所述输入信号可以为高电平信号。

步骤202，对所述输入信号分别转换得到第一波形信号和第二波形信号；

其中，所述第一波形信号和所述第二波形信号，由两个完全相同的转换装置转换得到的，所以所述第一波形信号和所述第二波形信号是类型相同的波形信号。此外，所述第一波形信号和所述第二波形信号可以是任意波形规则的数字信号，例如，可以是方波信号，本发明对此不做限制。

需要指出的，所述第一波形信号和所述第二波形信号可以同时生成，也可以不同时生成，如果所述第一波形信号和所述第二波形信号同时生成，则两个转换装置可以并行连接，将芯片接收到的输入信号作为两者共同的输入信号，当然，两转换装置也可以同时分别接收两个相同的输入信号；如果所述第一波形信号和所述第二波形信号不同时生成，则要求输入两转换装置的输入信号完全相同。

步骤203，分别对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值和第二计数值；

其中，所述对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数，具体为：检测到一个周期的波形信号，则计数加1。

需要指出的，对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数时，两个波形信号的周期起始波段是严格相同的，例如，如果两波形信号是方波信号，对两方波信号计数时，都以所述方波信号的上升沿作为一个周期的起始，直到方波信号的下一个上升沿，作为一个周期，或者，都以所述方波信号的下降沿作为波形信号的周期起始波段，到方波信号的下一个下降沿作为一个周期。

此外，针对所述第一波形信号与所述第二波形信号是否同时得到，相应的，所述第一计数值和所述第二计数值可以同时得到，也可以不同时得到，如果所述第一波形信号和所述第二波形信号同时得到，则可以同时对所述第一波形信号和所述第二波形信号进行计数，同时得到第一计数值和第二计数值，当然，也可以不同时进行计数，本发明对此不做限制；如果所述第一波形信号和所述第二波形信号不同时得到，则需要分别对所述第一波形信号和所述第二波形信号进行计数，第一计数值和第二计数值不同时得到，当分别对第一波形信号和第二波形信号进行计数时，两计数装置应当在检测到第一个周期的波形信号开始计数，而且，从开始计数的时刻起，计数时间必须是相同的。

步骤204：当计数时间超过预设时间，比较所述第一计数值和所述第二计数值的大小；

其中，由于芯片在生产过程中，制造误差的存在，芯片中相同的元件是存在细微的物理差异的，例如，相同的两根导线，其长度不可能完全相同，然而，这些差异是极其细微的，用肉眼观察或者粗略的测试，是不会发现的，所以即使相同的转换装置，其频率也并不完全相等，在对相同的激励信号进行转换时，所得到的第一波形信号和第二波形信号经过足够长的时间后，两波形信号就会有差异产生。一般波形信号的差异，至少需要两个时钟周期的时长，才能得到，所以本发明实施例中，对波形信号的计数时长，至少要等于波形信号的两个时钟周期，由于不同的转换装置的产生的波形信号的时钟周期不同，所以本发明对具体的计数时长不做限制。

步骤205，根据所述比较结果设置响应值；

其中，所述根据所述比较结果设置响应值时，按照一定的规则设定，例如，在一个具体实施例中，如果所述第一计数值大于所述第二计数值，则响应值为1；如果所述第一计数值小于所述第二计数值，则响应值为0；当然，也可以依照其他的规则进行设定，本发明对此不作限制。

需要指出的，在上述实施例的基础上可知，一个波形信号组得到一个响应值，如果所述波形信号组为多个，相应的可以得到多个响应值，此时，各个波形信号组得到响应值的规则是相同的。

此外，由于所述响应值是根据芯片中相同元件间的物理差异产生的，所以所述响应值每次生成都是相同的值，而且即使使用另一组相同的芯片的相同元件，也无法生成相同的响应值，所以所述响应值也是不可复制的。

步骤206，根据所述响应值获取密钥；

其中，所述响应值可以直接作为密钥使用，也可以根据所述响应值，利用任意计算机处理的算法，如HASH算法或LSFR算法，经过进一步处理，得到密钥。

需要指出的，在上述实施例的基础上，当所述响应值为多位时，通常按照一定顺序排列，比如可以按照比特位排列，组成比特数，所述多位响应值可以直接作为密钥使用，也可以在得到后，进行进一步的乱序处理或者进行计算，得到密钥。对数据的乱序处理和进一步计算，为本领域的常用技术手段，本发明在此不再详细阐述。

该实施例中，通过将输入信号转换成两个相同的波形信号，利用相同器件的细微物理差异特性，得到不可复制响应值，进而生成不可复制的密钥，对密钥进行了有效的保护，提高了芯片的安全性。

与上述实现方法相对应的，本发明实施例还提供了生成密钥的装置，如图3所示，为本发明实施例提供的生成密钥的装置的结构示意图，所述装置包括：接收单元11、转换单元12、数字化单元13和获取单元14，其中，所述接收单元11，用于接收输入信号；所述转换单元12，用于将所述接收单元11接收的输入信号转换为至少一个波形信号组；所述数字化单元13，用于对所述转换单元12转换得到的至少一个波形信号组中的波形信号进行数字化，得到响应值；所述获取单元14，用于根据所述数字化单元13得到的响应值获取密钥。

其中，在本实施例中，所述转换单元12包括：至少一组转换子单元；所述数字化单元13包括：第一计数单元、第二计数单元、比较单元和设置单元。

所述装置中各个单元的功能和作用的实现过程详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。

本发明实施例提供的生成密钥的装置，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

参见图4，为本发明实施例提供的生成密钥的装置的另一种结构示意图，所述装置包括，接收单元21、转换子单元22、第一计数单元23、第二计数单元24、比较单元25、设置单元26和获取单元27，其中，所述接收单元21、所述获取单元27的功能和作用于上述实施例类似，在此不再赘述；所述转换子单元22，用于将所述接收单元21接收到的输入信号进行转换，得到第一波形信号和第二波形信号；所述第一计数单元23，用于对所述转换子单元22转换得到的第一波形信号的信号周期计数，得到第一计数值；所述第二计数单元24，用于对所述转换子单元22转换得到的第二波形信号的信号周期计数，得到第二计数值；所述比较单元25，用于比较所述第一计数单元23得到的第一计数值与所述第二计数单元25得到的第二计数值的大小；所述设置单元26，用于根据所述比较单元25的比较结果设置响应值。

其中，所述转换子单元转换得到的所述第一波形信号与所述第二波形信号的类型是相同的，所述转换子单元，具体可以为方波发生器。

此外，需要指出的，当所述第一计数单元与所述第二计数单元分别计数时，所述第一计数单元和所述第二计数单元所检测的触发波段是相同的，详细描述见相对应的方法实施例，此处不在赘述。

此外，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述获取单元27，具体用于将所述响应值确定为密钥，或者，对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

所述装置中各个单元的功能和作用的实现过程详见上述方法中对应的实现过程，在此不再赘述。

该实施例提供的生成密钥的装置，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中相同装置间各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

相应的，本发明实施例还提供了一种芯片，如图5所示，为本发明实施例提供的芯片的结构示意图，所述芯片1包括，生成密钥的装置1001，其中，所述生成密钥的装置如上述实施例所述，在此不再赘述。

由以上技术方案可知，本发明实施例所提供的芯片，通过将接收的输入信号转换，得到密钥，利用芯片间相同装置的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

为了更加清楚、详细的说明本发明实施例所提供的技术方案，下面以一个具体的示例为例对本发明进行详细的描述。

如图6所示，为本发明实施例提供的生成密钥的示例的电路连接图，该实例中，芯片接收—高电平信号输入信号，所述高电平信号经M个PUF单元处理，得到M个响应值。

其中，本实施例中，每个PUF单元对高电平输入信号进行转换后，得到一个波形信号组，然后，对波形信号组中的波形信号进行计数、比较，得到一个响应值，由于第一PUF单元、第二PUF单元至第MPUF单元并行连接，所以M个响应值同时得到。该实施例中，每个响应值作为一个比特位，M个响应值组成一个比特数，用户可以将所述比特数直接作为密钥使用，也可以对所述比特数进行计算，或者进行乱序处理，得到密钥。

需要指出的，本实施例中，每个PUF单元得到波形信号组中的波形信号，与其他PUF单元得到的波形信号组的波形信号是相同的。

PUF单元对高电平输入信号的处理过程，详见图7，图7为本发明实施例提供的生成密钥的另一示例的电路连接图。在上述示例的基础上，该示例中，以方波信号为例，两方波信号同时生成，且对两方波信号同时进行计数。

该示例中，以振荡器作为波形转换装置，图中，第一振荡器得到第一方波信号；第二振荡器得到第二方波信号，所述第一方波信号和所述第二方波信号组成方波信号组。由于所述第一振荡器和所述第二振荡器是完全相同的方波信号发生器，所以所述第一方波信号和所述第二方波信号是完全相同的方波信号，所述第一振荡器和所述第二振荡器并行连接，所述第一方波信号和所述第二方波信号同时得到。

所述第一振荡器连接第一计数器，对所述第一方波信号进行计数，得到第一计数值；所述第二振荡器连接第二计数器，对所述第二方波信号进行计数，得到第二计数值，当计数时间大于10000个振荡器的时钟周期后，将所述第一计数值和所述第二计数值输入比较器，比较所述第一计数值和所述第二计数值，如果所述第一计数值大于所述第二计数值，得到响应值1；如果所述第一计数值小于所述第二计数值，得到响应值0。

其中，所述对方波信号进行计数，是对所述方波信号的周期进行计数，而且两计数器的触发波段相同，都是方波信号的上升沿，检测到一个周期的方波，计数值加1。

其中，所述第一振荡器和所述第二振荡器是完全相同的振荡器，但是在生产制造过程中，由于制造差异，振荡器中相同的元件存在不可复制的、细微的物理差异，从而导致了两振荡器的频率会有一定的差异，所以在对两方波信号进行计数的时间足够长，两计数值会有不同出现的。

如图8所示，为本发明实施例提供的振荡器的电路连接图，其中，振荡器由逻辑与非门与四个作为反相器的非门组成，所述高电平输入信号作为激励信号，与经过振荡器处理后的输出信号共同经过逻辑与非门逻辑运算后，经四个逻辑非门的延时处理后，得到下一个输出信号，从而生成方波信号。

需要指出的，逻辑非门在振荡器中仅起到延时的作用，上述仅为本发明实施例提供的优选示例，所述逻辑非门的数量可以为其他数量，本发明对此不做限制，但所述逻辑非门的数量必须是偶数。振荡器的工作原理及过程为本领域技术人员所熟知的技术，本发明对此不再赘述。

需要指出的，上述具体示例仅为本发明的优选实施例，对本发明的技术方案并不造成任何限制。

本发明实施例所提供的生成密钥的方法、装置及芯片，通过对输入信号进行转换，得到密钥，由于在转换过程中，利用芯片中相同装置间各个元件的细微物理差异，得到不可复制的响应值，从而使生成的密钥不可复制，对密钥进行了有效的保护，从而进一步提高了芯片的安全性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种生成密钥的方法，其特征在于，包括：

芯片接收输入信号；

将所述输入信号转换为至少一个波形信号组；

对所述至少一个波形信号组中的波形信号的信号周期进行计数，比较两个所述信号周期的计数值，并根据比较结果，得到响应值；

根据所述响应值获取密钥。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述波形信号组均包括：

对所述输入信号分别转换得到的第一波形信号和第二波形信号，

所述第一波形信号与所述第二波形信号是类型相同的波形信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述至少一个波形信号组中的波形信号的信号周期进行计数，比较，并根据比较结果，得到响应值，包括：

分别对所述第一波形信号和所述第二波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值和第二计数值；

当计数时间超过预设时间，比较所述第一计数值和所述第二计数值的大小；

根据所述比较结果设置响应值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述响应值获取密钥，包括：

将所述响应值确定为密钥，或者，

对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

5.一种生成密钥的装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收输入信号；

转换单元，用于将所述接收单元接收的输入信号转换为至少一个波形信号组；

数字化单元，对所述至少一个波形信号组中的波形信号的信号周期进行计数，比较两个所述信号周期的计数值，并根据比较结果，得到响应值；

获取单元，用于根据所述数字化单元得到的响应值获取密钥。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述转换单元包括至少一组转换子单元，其中，

每组所述转换子单元，用于将所述接收单元接收到的输入信号进行转换，得到第一波形信号和第二波形信号；

其中，每组所述转换子单元转换得到的所述第一波形信号与所述第二波形信号的类型是相同的。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转换子单元具体为：方波发生器。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数字化单元包括：第一计数单元、第二计数单元、比较单元和设置单元，其中，

所述第一计数单元，用于对所述转换子单元转换得到的第一波形信号的信号周期进行计数，得到第一计数值；

所述第二计数单元，用于对所述转换子单元转换得到的第二波形信号的信号周期进行计数，得到第二计数值；

所述比较单元，用于比较所述第一计数单元得到的第一计数值与所述第二计数单元得到的第二计数值的大小；

所述设置单元，用于根据所述比较单元的比较结果设置响应值。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述获取单元，具体用于

将所述响应值确定为密钥，或者

对所述响应值进行运算，将所述运算结果确定为密钥。

10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求5至9中任意一项所述的生成密钥的装置。