CN111800129B - 一种支持环境感知的puf单元、puf和混合puf - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持环境感知的PUF单元、PUF和混合PUF，属于数字集成电路设计以及安全防伪领域，包括：基于环形振荡器的第一基本PUF单元和感知外部环境变化的片外电路；片外电路串联在所述第一基本PUF单元的反馈环之间。本发明通过将感知外部环境变化的片外电路串联在所述第一基本PUF单元的反馈环之间，由于外部环境的变化改变对应的寄生RC值，寄生RC值的变化导致所述片外电路延时的差异，所述片外电路延时计入环形振荡器的总体延时，该时延变化导致PUF单位的频率发生变化，从而实现外部环境信息耦合到PUF电路内，产生环境变化相关的唯一输出，任何改变外部物理环境的尝试都会导致输出结果永久失效，且无法重建。
Description
技术领域
本发明属于数字集成电路设计以及安全防伪领域，更具体地，涉及一种支持环境感知的PUF单元、PUF和混合PUF。
背景技术
21世纪以来，信息技术飞速发展，各种智能卡、RFID等广泛应用，小到生活中随处可见的银行卡、公交卡，甚至是内置NFC的智能手机，这些物理实体都对安全提出了很高的要求。这些物理实体受限于其资源有限性、计算能力以及可复制性等问题，在传统密码学的要求上很难达到较高的安全认证识别标准。而当前基于生物唯一特征的指纹识别、虹膜识别甚至是声纹识别对个人进行的唯一身份认证是一种安全有效的认证思路，受益于这个思想，人们提出了物理不可克隆函数(PUF)这一概念。
正如世界上没有两片完全相同的树叶，PUF也是如此，依赖于芯片制造过程中的不可逆误差，利用这些误差的随机性和唯一性，通过特殊的方式将其提取作为芯片的特征，实现激励信号与响应信号之间的唯一对应，这样就形成了一个类似于人体指纹的“芯片指纹”。PUF理念的提出极大的丰富了传统密码学的应用场景和安全性。
目前PUF大致可以分为两大类，一类是不可集成的PUF；另一类是可集成的电子类PUF，包括模拟电路PUF和数字电路PUF两种。不可集成的PUF有光学PUF、纸PUF以及CD PUF等。这类PUF往往拥有很好的随机性和唯一性，但美中不足的是，这些PUF无法很好的集成到电路之中，这是很难被应用的。电子PUF主要基于一些工艺制造的不对称性、或基于memory的不定态、或基于延时的随机性等随机特性，这些特性产生过程是随机的，但一旦产生又能稳定持续下来。
除上述描述的这些PUF外，另外，也有研究者基于量子力学的基本理论提出了相应的PUF，如利用电子自旋方向的不同可以作为“自旋电子PUF”，但是这种形式的PUF虽然尺寸上符合集成的要求，但是如何将其集成于电路中还是需要考虑的一个问题。
综上，目前应用最广泛的是可集成的电子类PUF。这种PUF主要特性为输出与芯片实物一一对应，不会被外接环境影响，的确适用于产生芯片唯一的ID。但在实际的产品实物中不单单只包括一个芯片，更会包括能提供芯片工作所需的所有环境，有时环境甚至会比芯片价值更高，从而导致伪造重点放在环境的伪造上。此时，这种PUF就无法提供环境防伪的支持。
发明内容
针对现有PUF只通过芯片内工艺偏差产生结果，无法应用于芯片外环境防伪的问题，本发明提供了一种支持环境感知的PUF单元、PUF和混合PUF，其目的在于将片外特定物理环境信息耦合到内部的PUF产生流程中，任何将芯片拆卸或破坏外部线路等尝试进行伪造的行为都会破坏该PUF所处的唯一物理环境，从而破坏PUF的输出。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种支持环境感知的PUF单元，包括：基于环形振荡器的第一基本PUF单元和感知外部环境变化的片外电路；所述片外电路串联在所述第一基本PUF单元的反馈环之间。
优选地，外部环境的变化改变对应的寄生RC值，寄生RC值的变化导致所述片外电路延时的差异，所述片外电路延时计入环形振荡器的总体延时，以产生和外部环境变化相关的输出。
优选地，所述片外电路为使用PCB板上的线路，或是导电贴纸。
优选地，环形振荡器在任意一个反相器输出端，通过芯片的PAD引脚连接到片外，经过片外电路后，再经过芯片的另一个PAD引脚回到片内的反相器链。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种支持环境感知的PUF，包括：
n个独立振荡器环，每个振荡器环为如第一方面所述的支持环境感知的PUF单元；
第一多路选择器，每个PUF单元的输出端都连接到第一多路选择器，第二多路选择器，两个多路选择器用于选择两个不同的PUF单元并输出振荡波形；
与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，计数结果用于反映对应振荡器环的频率大小；
1个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，用于比较两个计数器的计数结果，产生一个比特的响应信号。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种支持环境感知的混合PUF，包括：基于环形振荡器的第二基本PUF和如第二方面所述的支持环境感知的PUF，第一基本PUF和第二基本PUF结构相同，第二基本PUF中的振荡器环为基于环形振荡器的第一基本PUF单元；
所述第二基本PUF产生的多比特响应信号和所述支持环境感知的PUF的产生的多比特响应信号通过逻辑操作进行混合，得到支持环境感知的混合PUF的最终结果。
优选地，所述支持环境感知的混合PUF还包括寄存器，用于存储支持环境感知的PUF的结果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出一种支持环境感知的PUF单元，通过将感知外部环境变化的片外电路串联在所述第一基本PUF单元的反馈环之间，由于外部环境的变化改变对应的寄生RC值，寄生RC值的变化导致所述片外电路延时的差异，所述片外电路延时计入环形振荡器的总体延时，该时延变化导致PUF单位的频率发生变化，从而实现外部环境信息耦合到PUF电路内，产生环境变化相关的唯一输出，任何改变外部物理环境的尝试都会导致输出结果永久失效，且无法重建。
(2)本发明提出一种支持环境感知的PUF，由于延时主要是线路的寄生电阻电容产生，环境温度、供电电压等因素会统一影响到所有的外接电路RC，带来的是共模的变化，该变化在进行频率比较时会被消除，并不会影响到最终结果。因此，会对比较结果产生影响的只会是特定线路被改变，可以保证环境感知的稳定性。
(3)本发明一种支持环境感知的混合PUF，由单独的PUF结构和支持环境感知PUF结构组成，经过逻辑操作将两者的响应结果进行混合，使输出序列具有更好的随机特性。
附图说明
图1为本发明提供的一种支持环境感知的PUF单元结构示意图；
图2为本发明提供的一种支持环境感知的PUF的结构图；
图3为本发明提供的一种支持环境感知的混合PUF的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种支持环境感知的混合物理不可克隆函数(PhysicalUnclonable Function，PUF)实现方案，包括基本的PUF结构以及环境感知PUF结构。其中，基本PUF为基于环形振荡器的PUF，环境感知PUF结构为将基本PUF通过芯片的PAD连接到片外会对物理环境变化产生感知的电路实现。环境感知PUF结构可将外部环境信息耦合到PUF电路内，从而产生环境相关的唯一输出，任何改变外部物理环境的尝试都会导致输出结果永久失效，且无法重建。最后，由单独的PUF结构以及环境感知PUF结构进行混合后，产生唯一的输出结果。要求两种PUF产生的response(响应信号)长度相同，并通过特定逻辑操作(XOR、AND、OR等)实现。
所述基于环形振荡器的PUF由N个环形振荡器构成，通过比较每两个环形振荡器频率的大小来产生。环形振荡器使用常见的反相器首尾相连的形式，利用工艺偏差带来的不同路径延时产生不同频率的振荡，从而通过比较得到输出。由于每两个振荡器可用于产生1bit的输出，为了实现多bit的输出，振荡器数量可按实际要求进行扩充。
如图1所示，所述支持环境感知的PUF在环形振荡器PUF基础上实现。振荡器路径在反相器链中间一级断开，通过芯片的PAD脚到达片外，经过片外特定的线路后，再经过芯片的另一个PAD脚回到片内的反相器链。环境感知由该PAD脚以及片外线路实现。
一个与门的其中一个输入端作为开关控制，输出端后再接奇数个反相器；在最后一个反相器输出端，通过芯片的PAD连接到片外；经过片外线路后，通过另一个PAD再回到芯片内，连接到与门的另一个输入端，完成一个振荡器环。该振荡器中，信号从任一反相器输出端作为起点输出，经过电路一圈再回到起点后产生的延时即为1/2振荡周期。其中，芯片内部部分电路的延时由制造过程中的工艺偏差决定，每块芯片都会有不同长度的延时，基本的PUF就是利用这个延时来产生芯片相关的输出；而环境感知由芯片外线路带来的延时反映，该路径会将芯片外线路的延时也计算进振荡器的总体延时，以产生和环境相关的输出。
芯片外线路最简单可用寄生的串联电阻R以及寄生的并联电容C表示。环境因素会影响到寄生RC的值，寄生RC的变化会导致线路延时的变化，从而将环境因素与线路延时关联起来。环境中的各种与线路无关的噪声，如温度，会对所有这种连接到片外环路的RC值造成同样的影响；而只有片外线路本身的物理属性，如引脚焊接情况以及线路实现方式，才会对该环路带来唯一的RC变化。因此，本发明对环境感知定义为感知片外线路发生的变化。其中片外线路的定义为，任何从用于环境感知的芯片PAD脚出去后的所有相关电路。片外线路可按照具体物理环境灵活实现，如使用PCB板上的线路，或是导电贴纸等。
具体原理为：PAD引脚的焊接、外部线路的具体实现等在实际实现过程中，即使是完全一样的设计，也一定会引入一些细微偏差，导致其寄生参数发生变化。寄生参数的变化会导致线路的延时发生改变，将该线路接入振荡器的环路中，即可将该延时信息引入PUF产生的流程里面，产生与物理环境相关的PUF值。由于这些细微偏差在实现后是能稳定保留下来的，任何将芯片拆卸或改变物理环境都会改变对应的寄生参数，进而改变线路的延时，导致PUF的输出发生变化。再由于这些细微差异的产生完全是制造过程中随机产生的，因此对物理环境的重建也是无法实现的。从而，可以实现实物与PUF输出的唯一对应。如，芯片引脚焊接到PCB焊盘上，该过程会带来唯一RC寄生从而带来唯一延时，芯片被拆卸再重新焊接后，该延时会必然发生改变；又如，将输出连接到导电贴纸再贴到特定产品表面，一旦贴纸被撕毁，也必然会改变延时信息。
如图2所示，RO1到ROn为n个独立的振荡器环，并连接到两个n输入的多路选择器MUX。多路选择器的输出由challenge来进行选择，每个challenge可选择出两个不同的RO并从多路选择器输出振荡波形。两个振荡分别驱动两个独立的计数器CNT1和CNT2，再使用一个标准时钟ref_clk来定时。当经历过一段时间后，REF_CNT输出停止信号停止CNT1和CNT2的计数。CNT1和CNT2的最终计数值可以反映出对应RO的频率大小，此时将它们的计数值进行大小比较，即可得出一个最终的0/1比较值。
图2中的RO，其为普通的环形振荡器时，该结构作为普通的PUF使用；其为如图1所示的支持环境感知的环形振荡器时，该结构作为支持环境感知的PUF使用。
如图3所示，混合PUF主要由基本PUF与支持环境感知的PUF组成，其输出为多bit。而如图2所示的PUF结构一次只能输出1bit，因此需要有一个寄存器结构将如图2所示的PUF的结果进行存储，通过多次输入不同的challenge产生不同的输出来得到一个多bit的结果。最后，将两个PUF的输出结果进行逻辑操作混合，常用的是进行异或操作，从而得到最终的输出。
实施例
将芯片焊接在PCB板上，对应的PAD经过PCB板上的连线连接起来。焊接过程PAD脚、焊锡、焊盘会带来唯一的寄生RC，同时PCB在制造过程也会带来唯一的寄生RC。此时，该芯片外线路存在由焊接以及PCB带来的唯一的延时。PUF的输出是RO之间进行比较得到的，环境的温度等噪声对所有芯片外线路带来的影响是相同的，因此比较中这些影响会被消除，最后只剩下与焊接、PCB板相关的延时参与比较。由此，得到的PUF结果会与目前芯片的环境(焊接寄生RC产生的延时与PCB线路的延时所构成的环境)相关。若将芯片拆卸换到其他地方，焊接环境以及PCB线路延时都发生了变化，就会导致RO的比较结果发生变化，破坏PUF的最终结果；同时，每一次焊接以及每一块板子产生的延时都是唯一的，PUF输出环境一旦被破坏后也不可能再进行重建。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种支持环境感知的PUF单元，其特征在于，包括：基于环形振荡器的第一基本PUF单元和感知外部环境变化的片外电路；所述环境感知是指感知片外线路发生的变化，所述片外电路从用于环境感知的芯片PAD脚出去、串联在所述第一基本PUF单元的反馈环之间的所有相关电路；
外部环境的变化改变对应的寄生RC值，寄生RC值的变化导致所述片外电路延时的差异，所述片外电路延时计入环形振荡器的总体延时，以产生和外部环境变化相关的输出；
环形振荡器在任意一个反相器输出端，通过芯片的PAD引脚连接到片外，经过片外电路后，再经过芯片的另一个PAD引脚回到片内的反相器链。
2.如权利要求1所述的支持环境感知的PUF单元，其特征在于，所述片外电路为使用PCB板上的线路，或者，导电贴纸。
3.一种支持环境感知的PUF，其特征在于，包括：
n个独立振荡器环，每个振荡器环为如权利要求1或2所述的支持环境感知的PUF单元；
第一多路选择器，每个PUF单元的输出端都连接到第一多路选择器，第二多路选择器，两个多路选择器用于选择两个不同的PUF单元并输出振荡波形；
与第一多路选择器的输出端连接的第一计数器，与第二多路选择器的输出端连接的第二计数器，计数结果用于反映对应振荡器环的频率大小；
1个比较器，其两个输入端分别与第一计数器的输出端和第二计数器的输出端连接，用于比较两个计数器的计数结果，产生一个比特的响应信号。
4.一种支持环境感知的混合PUF，其特征在于，包括：基于环形振荡器的第二基本PUF和如权利要求3所述的支持环境感知的PUF，第一基本PUF和第二基本PUF结构相同，第二基本PUF中的振荡器环为基于环形振荡器的第一基本PUF单元；
所述第二基本PUF产生的多比特响应信号和所述支持环境感知的PUF的产生的多比特响应信号通过逻辑操作进行混合，得到支持环境感知的混合PUF的最终结果。
5.如权利要求4所述的支持环境感知的混合PUF，其特征在于，所述支持环境感知的混合PUF还包括寄存器，用于存储支持环境感知的PUF的结果。
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