JP7114833B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 - Google Patents
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Description
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
たとえば,完全自動運転などを実現する場合の車載センサもIoTとみなすことができ、取得データの改ざんは事故など重大な被害を生じるおそれがある。
従来の暗号技術ではデジタル化されたマイコンチップ以降の信号は守られているが、センサチップから出てくる直後の信号が必ずしも守られていない。その理由は、部品としてのセンサ単体には低コストが求められ、余分な回路となるセキュリティ技術が普及していないためである。
また、半導体デバイスにおいてPUFとは、製造時に発生するトランジスタのしきい値のばらつきなどにより起こる微小な性能のずれを抽出し、固有のIDとして出力する回路である。
このPUFで発生させた固有IDを用いてデバイスを認証したり,取得データに真正性を確保するためのメッセージ認証符号(MAC)を付与したりすることで情報の改ざんを防止できる。
大小比較する画素トランジスタの値Voutの差が大きい場合は、ノイズや温度・電圧などの環境条件が変動しても、しきい値電圧の大小関係は反転しないため、安定なビットであることが判断できる。
一方、後者の暗号鍵生成ではビットエラ-が許されず、初期鍵生成以降、同じ鍵を生成する(再生成)にはエラ-を除去する技術が必要となる。
このファジー抽出器では、冗長をもたせた符号からエラ-を除去し真の符号を判定する方法が用いられている。
判定方法として硬判定と、軟判定という技術が提案されている。
この種の軟判定ファジー抽出器では、事前にPUFレスポンスを多数回生成し、その信頼度を算出した後、その信頼度をヘルパーデータに付与している。
そのため、信頼度情報を得るためのレスポンスの複数測定とヘルパーデータへの信頼度付与が必要となり、チップごとに信頼度情報を得るための追加の処理が必要であり、初期鍵生成時にファジー抽出器(Fuzzy Extractor)の保存デ-タが増大するという不利益がある。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部90が構成される。
固体撮像装置10は、CIS-PUFではPUFのレスポンス(以下、PUFレスポンスという場合もある)を生成する際に、画素のばらつき情報および読み出し部のばらつき情報のうちの少なくともいずれか一方に関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成することが可能に構成される。
固体撮像装置10は、大小比較する画素トランジスタのデジタル値Voutの差が大きい場合は、ノイズや温度・電圧などの環境条件が変動しても、しきい値電圧VTHとの大小関係は反転しないため、安定なビットであることが判断できる。
後で詳述するように、CIS-PUFで得られるデジタル値Voutに関連付けてPUFレスポンスビットの信頼度情報を取得し、取得した信頼度情報を軟判定ファジー抽出器(鍵再生成部)に応用している。
すなわち、本実施形態では、CIS-PUFが鍵再生時のPUFレスポンスであるばらつき情報より信頼度情報を予測できることから、初期鍵生成は硬判定と同様とし、鍵再生成時に取得デ-タより信頼度を付与して軟判定を行う。
本来、画素ばらつきの多くはCDS回路によって除去されるが、CIS-PUFは相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路を動作させて撮影する通常の撮像モード(通常動作モード)と、CDS回路を動作させずに撮影するPUFモード(レスポンス作成モード)を有している。
ここで、デバイス個体固有のばらつきをセキュリティに利用するPUFの応用としてのチャレンジおよびレスポンス認証(Challenge & Response(CR認証))の概要について説明する。
これを受けてCIS-PUFチップ200はPUFモードで撮影を行いPUFモード画像を得る。
次に、マイコン300は乱数発生器(RNG)301によりどの画素を使用してIDを生成するかを乱数で決定し、そのアドレス指定をチャレンジ情報としてCIS-PUFチップ200に送信する(ステップST2)。
CIS-PUFチップ200は受け取ったアドレス指定に従ってPUFモード画像を切り出し、1/0データを生成する。CIS-PUFチップ200は、このIDをチャレンジに対するレスポンスとしてマイコン300に送信する(ステップST3)。
マイコン300は事前に登録しておいた1/0データから指定したアドレスのIDを切り出し、CIS-PUFチップ200から受け取ったIDと比較する。IDが一致すれば認証成功となる(ステップST4)。
その後、本実施形態の固体撮像装置10の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行ってレスポンスデータを作成する、いわゆる暗号化処理であるレスポンスデータ作成処理を中心に説明する。
より具体的には、レスポンスデータ生成部において、安定なレスポンスを生成するために、ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)を適用し、安定なレスポンスを生成する方法として、画素トランジスタのばらつきに相当する12ビットのデジタル値Voutを有効に活用して、PUFレスポンスビットの信頼度情報を取得し、取得した信頼度情報を軟判定ファジー抽出器(鍵再生成部)に応用している具体的な方法等について詳述する。また、実データを使ってファジー抽出器における軟判定の訂正能力について考察した結果について述べる。
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の画素がn行×m列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
そして、このフォトダイオードPDに対して、転送トランジスタTG-Tr、リセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワトランジスタSF-Tr、および選択トランジスタSEL-Trをそれぞれ一つずつ有する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、後で例示するように、複数のフォトダイオード間で、リセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワトランジスタSF-Tr、および選択トランジスタSEL-Trの各トランジスタを共有している場合にも有効であり、また、選択トランジスタを有していない3トランジスタ(3Tr)画素を採用している場合にも有効である。
転送トランジスタTG-Trは、制御信号TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPDで光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。
なお、リセットトランジスタRST-Trは、電源線VDDとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御信号RSTを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタRST-Trは、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線VRst(またはVDD)の電位にリセットする。
ソースフォロワトランジスタSF-TrのゲートにはフローティングディフュージョンFDが接続され、選択トランジスタSEL-Trは制御信号SELを通じて制御される。
選択トランジスタSEL-Trは、制御信号SELがHの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF-TrはフローティングディフュージョンFDの電位に応じた列出力アナログ信号VSLを垂直信号線LSGNに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTG-Tr、リセットトランジスタRST-Tr、および選択トランジスタSEL-Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
図1においては、各制御線LSEL、LRST、LTGを1本の行走査制御線として表している。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図4(B)に示すように、画素部20の各列出力アナログ信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図4(C)に示すように、画素部20の各列出力アナログ信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、画素部20の各列から出力される画素信号に対して所定の処理が施された信号を記憶するカラムメモリとしてのSRAMが配置されてもよい。
このように、CMOSイメージセンサでは、画素毎のリセットレベルと輝度レベルの差分を出力することで、リセットノイズと閾値ばらつきを除去し、数電子の信号を検出することができる。この差分を検出する動作は、CDS(相関二重サンプリング)と呼ばれ、広く用いられている技術であり、アレイ状に配置された全て画素に対して、CDS読出しを順次行い、1フレーム分の通常の2次元画像データを出力する。
このように、本実施形態のレスポンス作成モードMDRにおいては、画素毎のばらつきパターンのみを出力する。輝度レベルを出力しないため、イメージセンサの露光条件に依存しないパターン画像を出力することができる。また、各画素の出力には、FPNとフレーム毎にランダムに変動する熱雑音が含まれるが、レスポンス作成モードMDRにおけるFPNは熱雑音に対して10倍以上大きいため、安定した固定ばらつきパターンをレスポンスデータRPDとして出力することができる。
以下、本実施形態の固体撮像装置10の特徴的な構成、機能について、固有鍵の生成、並びに固有鍵を含む識別データと画像データの一体化を行ってレスポンスデータを作成する、いわゆる暗号化処理であるレスポンスデータ作成処理を中心に説明する。
図6は、図5の暗号化処理系であるレスポンスデータ作成の処理を模式的に示す図である。
なお、図5の例では情報取得部81と鍵生成部82が別の機能ブロックとして構成されているが、情報取得部81と鍵生成部82を一つの機能ブロックとして構成することも可能である。
まず、画素PXLのばらつき情報PFLCについて説明する。
本実施形態においては、画素PXLのばらつき情報PFLCとして、基本的に、リーク電流と位置情報を用いる。
ここで、リーク電流を採用した理由について述べる。
固体撮像装置10は、出荷前に極力この白キズを減らす努力がはらわれるが、また抑えきれない白キズは後段の画像処理で回りの画素デ-タから白キズ画素を補完し画像出力している。
この白キズは画素アレイのどこに出現するかは作製してみなければわからず、しかも再現性がある。そのため個体固有の情報と見なせる。
そこで、本実施形態では、画素PXLのばらつき情報PFLCとして、リーク電流と位置情報を用い固有鍵KYを生成する。たとえば図7に示すように、白キズの発生場所(発生位置)と個数を固有情報として固有鍵KYを生成することが可能である。
本実施形態においては、この情報を固有鍵として、セキュリティ分野で用いられるPUF技術を応用して暗号化処理を行う。
1画素あたりの情報量Hは次式で与えられる。
ここで、P0 : 白キズの出る確率、P1 : 白キズが出ない確率1 - P0
図9は、9つの要素の場合の出力と情報量について説明するための図である。
図10は、16の要素の場合の偏った出力と情報量について説明するための図である。
もしノイズにより、エラー訂正に5bit必要であるとすると、図9(B)に示すように、有効な鍵情報は4bit分となり、鍵としては4bit分の情報として出力する。
16(4×4)の要素の場合、図9に示すように、各要素に1の出る確率が1/16で、1要素のどこかに必ず1が出るサンプル群の場合、これは全部で16通りしかなく、4bitの情報しかない。
白キズの情報量もこれと同じ考え方で、100万画素中の各画素に1/2の確率で1または0が出る場合の情報量は100万bitであるが、100万画素中に100ppm存在する白キズの情報量は1,400bit程度となる。
これだけの情報量であれば、鍵としては有効活用可能である。
図7の例の場合、リーク電流Ileakがしきい値VTH1より大きいときに、白キズであると判別できる。
また、情報取得部81は、しきい値が複数設定されてもよく(図7の例ではVH1、VTH2)、複数のしきい値VTH1、VTH2との関連で情報を区別することも可能である。
なお、しきい値VTHを温度等の環境に応じて変化させることも可能である。
また、情報取得部81は、画素のばらつき情報PFLCとして、リーク電流順の上位の画素の集合を採用することができる。
また、情報取得部81は、画素のばらつき情報PFLCとして、集合の列方向および行方向アドレスを採用することができる。
情報取得部81は、たとえば画素のリーク電流IleakとしてフォトダイオードPDのリーク電流を採用することができる。
図11(A)が通常動作モードMDU時の動作波形を、図11(B)がレスポンス作成モードMDRの動作波形を、図11(C)がばらつき情報を二値化した鍵パターンイメージを示し、図11(D)が出力信号と画素数としきい値VTHとの関係を示している。
なお、前述したように、本実施形態において、固体撮像装置10は、通常動作モードMDUとレスポンス作成モードMDRで動作可能に構成されている。
また、シャッターを閉じた状態で信号を読み出す。
この場合、露光されないため、フォトダイオードPDに生じるリーク電流のみが固有の鍵パターンとして出力される。
この固有の鍵パターンは、図11(D)に示すように、重金属汚染等により極大値をもつため、再現性が高い。
図12は、画素のばらつき情報PFLCとして、画素部20の有効画素以外の無効画素領域の情報を採用することを説明するための図である。
また、無効画素領域(OB;Optical Black領域)22は、図12(B)に示すように、遮光膜23により遮光されている。
本実施形態においては、OB画素領域22の画素等、有効画素以外の画素領域の白キズや暗電流の情報を採用して鍵とすることで、鍵の検出を困難にすることが可能である(鍵検出には専用の読み出しタイミングを必要とする)。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。埋め込みフォトダイオード(BPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減する。
埋め込みフォトダイオードBPDは、有効画素領域21においては、表面側から第1導電型のp+層201、第2導電型のn+層202が形成されている。
本実施形態においては、OB領域22において、図12(B)に示すように、フォトダイオードPD表面のp+層のpシールドを除去し、暗電流・白キズ(=鍵、Key)が発生しやすくすることも可能である。
鍵とする白キズ等のディフェクト(defect、欠陥)の個数について考察すると、たとえば白キズの場合、後発白キズ(後から増える白キズ)や消滅する白キズがある。
後発キズ対策としては、一定数の白キズをチップ内の座標指定で鍵として指定する。
消滅白キズ対策としては、白キズは必要な最低の白キズ個数よりあらかじめ多くのキズを鍵として設定する。
後発傷対策としては、特定の出力レンジに収まる傷を鍵として使用する。
情報取得部81は、画素のばらつき情報としてソースフォロワトランジスタSFのしきい値VTHのばらつき情報を採用することができる。
図13(A)が画素PXLの読み出し系の回路図を、図13(B)が通常動作モードMDU時の動作波形を、図13(C)がレスポンス作成モードMDRの動作波形を、図13(D)がばらつき情報を二値化した鍵パターンイメージを示し、図13(E)が出力信号と画素数としきい値VTHとの関係を示している。
図13(A)の画素PXLの読み出し系においては、垂直信号線LSGNにCDS回路44がスイッチSW0の一端子を介して接続されている。スイッチSW0の他端子は基準電圧Vrefの供給ラインに接続されている。
これらの信号の差分を読み出すことで、各画素PXLのリセット電圧のばらつきを取り出すことができる。
本例では、このばらつき分布を鍵として用いる。
上記ばらつきは100mV程度なので、アンプ等で増幅しても良い。
固体撮像装置10は、CIS-PUFで得られるデジタル値Voutに関連付けてPUFレスポンスビットの信頼度情報Qを取得し、取得した信頼度情報Qを軟判定ファジー抽出器(鍵再生成部)に応用している。
すなわち、本実施形態では、CIS-PUFが鍵再生時のPUFレスポンス(ばらつき情報)より信頼度情報を予測できることから、初期鍵生成は硬判定と同様とし、鍵再生成時に取得デ-タより信頼度を付与して軟判定を行う。
本実施形態において、PUFレスポンスであるばらつき情報は、1ビット当たり2つの出力値が得られる複数ビット、たとえば12ビットのデジタル値Voutとして取得され、レスポンスデータ生成部80(鍵生成部82)は、ばらつき情報の2つの出力値を信頼度情報Qとして利用する。
後で詳述するように、CIS-PUFレスポンスとしてのばらつき情報の2つの出力値の差分値でビット反転し易い、ビット反転しにくい程度を予測可能であり、レスポンスデータ生成部80は、鍵再生成時に得られるばらつき情報の2つの出力値の差分値から信頼度を予測する。
図14(A)は画素部20の一例を示し、図14(B)は安定ビット100回の出力分布を示し、図14(C)は不安定ビット100回の出力分布を示している。
そのため、初期鍵生成の時に反転の信頼度情報をヘルパーデ-タに記録しなくても、鍵再生成時のレスポンスデ-タから信頼度情報を予測し、それを軟判定に活用すること可能である。
図14(B)および(C)は、安定ビット(bit)の出力ペアと不安定ビット(bit)の出力ペアの100回分の出力のヒストグラムを示したものである。
1つの出力は似たような形である平均値の周りに一定のσで分布している。ばらつきは出力をとるごとに乗ってくるランダムノイズの影響を受けている。
以下に、いわゆるCMOSイメージセンサPUF (CIS-PUF)の要部を形成する2つの出力値を持つばらつき情報を取得するのに好適な情報取得部を含む、画素部および列毎に配置された列読出し回路の概要について説明する。
その後、具体的なPUFレスポンス(ばらつき情報)の生成、信頼度情報Qの設定、並びに、鍵再生成時に信頼度情報Qを採用した高い訂正能力をもった軟判定を行うことが可能なファジー抽出器(Fuzzy Extractor)の構成例について説明する。ファジー抽出器の説明においては、一般的なファジー抽出器(硬判定ファジー抽出器)、並びに、初期鍵生成および鍵再生成時に軟判定を行うファジー抽出器との誤り訂正能力の比較結果についても述べる。
ここで、2個のフォトダイオードPD1,PD2がリセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワ(SF)トランジスタSF-Tr、選択トランジスタSEL-Trを共有している。
これは、近年の微細な画素に対して広く用いられる方式であり、各トランジスタをPD間で共有することにより、PDの面積を所定の素サイズに対して大きくとり、光電変換可能な領域を広げることで、入射光に対する検出感度を高めている。
このソースフォロワ回路により、フローティングディフュージョンFDの電圧が読み出し回路40のAMP42を介してADC41に入力されて、デジタル変換され、図示しないインターフェス回路に出力される。
また、クリップ回路44が画素アレイ端に配置され、クリップクロックである制御信号CLIPによって駆動するクリップゲートCGおよびダイオード接続トランジスタM0は、画素アレイ端に配置され、画素出力電圧振幅を制限することで、安定的に動作させるために用いられる。
ここで、図15のCIS-PUFの概要について説明する。
CIS-PUFは、CMOSイメージセンサの画素毎の特性ばらつきを利用してデバイスごとに固有のPUFレスポンス(画素のばらつき情報)を生成する。前述したように、特性ばらつきには固定した位置に生じる固定パターンノイズ(FPN:Fixed Pattern Noise)や画素等の位置に関係なくランダムに生じるランダムノイズがある。
CMOSイメージセンサは、通常動作モードMDUにおいては、これら特性ばらつきを除去するために,画素毎にリセット電位(VRST)と信号電位(VSIG)の差分を取るCDS(相関二重サンプリング:Correlated Double Sampling)を行っている。
この固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)10Aは、垂直方向(図では上下)に隣接した2画素でソースフォロワトランジスタSF-Trを共有しており、ソースフォロワトランジスタSF-Trの数は1,920×540である。
PUFモードでは,列毎に存在するクリップ回路44から得られる電位を基準電位とし,各画素のリセット電位と差分を取ることで、画素毎のばらつきを抽出している。
次に、図15のCIS-PUFにおけるPUFレスポンスの生成の概要について説明する。
図16は、図15のCIS-PUFの画素ばらつきを利用したPUFレスポンス生成の様子を示す図である。
図16の例では、上下の出力値Voutを大小比較し、上側の出力値が下側の出力値より大きい場合(上>下)「1」、上側の出力値が下側の出力値より小さい場合(上<下)「0」とする。
したがって、CIS-PUFの1チップから約0.5Mビットのレスポンスを得ることができる。
ただし、レスポンスは1,920×270のビットを128ビットずつ区切った4,050ブロック×15チップ分の分布である。
また、図17において、ユニーク性では異なる15チップの基準レスポンス同士のハミングディスタンス(HD)をとった結果を載せている。図17において、ユニーク性は再現性と同様にレスポンスを128ビット区切りにし, 4,050ブロックの分布でまとめてある。
ユニーク性でも、平均値が63.99ビットと理想的な値(64ビット)にほぼ等しく、高いユニーク性であることが確認できている。
次に、図15のCIS-PUFの不安定ビットについて考察する。
図18(A)および(B)は、図15および図16に示すようなレスポンス生成方式によって得られたPUFレスポンスの安定ビットと不安定ビットを示す図である。
図18(A)は2つのソースフォロワトランジスタSF-Tr出力の100回試行分の安定ビットの出力分布を示し、図18(B)は2つのソースフォロワトランジスタSF-Tr出力の100回試行分の不安定ビットの出力分布を示している。
ここで用いた平均出力は、CMOSイメージセンサのばらつきの中でもFPN(固定パターンノイズ)が影響しており、ソースフォロワトランジスタSF-Trの出力毎に1つに定まる。
一方、出力平均からの分布の広がりはランダムノイズの影響であり、ある一定のσに沿って全ての出力で同様の分布を作る。
一方で、不安定ビットでは平均出力の差ΔVoutが小さく、試行によって大小関係が逆転し、ビット反転を起こす。
このことより、図15等に示すCIS-PUFは、平均出力の差ΔVoutを確認することによって、対応するソースフォロワトランジスタSF-Trペアのビットの反転しやすさを推測することが可能である。
鍵生成部82は、生成した固有鍵KYを識別データ生成部84に供給する。
鍵生成部82は、たとえば画素部20の有効画素の読み出し時以外の期間(たとえばブランキング期間)に固有鍵KYの生成を行う。
画像データ生成部83は、生成した画像データIMGを一体化部85に供給する。
ここで、取得データAQDは、少なくとも画素、日付、温度、GPS(Global Positioning System)に関するデータのうちの少なくともいずれかのデータである。
識別データ生成部84は、生成した識別データDSCDを一体化部85に供給する。
一体化部85は、たとえば図6に示すように、一体化データが、ヘッダHD、識別データDSCD、画像データIMGの順となるように一体化する。
以下に、鍵生成部62の具体的な構成例および信頼度情報の設定方法等について説明する。
本実施形態に係る鍵生成部82は、鍵の再現性を強くするためにファジー抽出器(Fuzzy Extractor)により鍵の生成を行う。
ファジー抽出器は、ノイズを含んだデータを一意な鍵情報に変換する演算器あって、ある程度安定した入力に対して同じ出力を出すことを目的とする演算器である。
本実施形態においては、上述したように、PUFレスポンスであるばらつき情報は、1ビット当たり2つの出力値が得られる複数ビット(本例では12ビット)のデジタル値として取得され、鍵生成部82は、PUFレスポンスであるばらつき情報の2つの出力値を信頼度情報として利用する。
第1の信頼度設定方法では、鍵生成部82は、鍵再生成時に得られるばらつき情報の2つの出力値の第1の差ΔVout getと、出力値の平均同士の第2の差ΔVoutが一致すると仮定し、第1の差ΔVout getが大きいほど、2つの出力値分布が重なる面積は小さくビット反転の確率が小さく、第1の差ΔVout getが小さいほど、2つの出力値分布が重なる面積は大きくビット反転の確率が大きい、と想定して信頼度を設定する。
鍵生成部82は、第1の差ΔVout getから想定した2つの出力値分布が重なる面積が最大のとき信頼度を最低とし、重なる面積が小さくなるにつれて信頼度を最大に近づけて信頼度の設定を行う。
あるいは、鍵生成部82は、第1の差ΔVout getから想定した2つの出力値分布が重なる面積が最小のとき信頼度を最大とし、重なる面積が大きくなるにつれて信頼度を最小に近づけて信頼度の設定を行う。
第2の信頼度設定方法では、鍵生成部82は、鍵再生成時に得られるばらつき情報の2つの出力値の第1の差ΔVout getが、出力値の平均同士の第2の差ΔVoutと異なり、値を取得するごとに値が変動し、得られた第1の差ΔVout getが第2の差ΔVoutよりも大きい場合と小さい場合が確率的に存在することを前提として、第1の差ΔVout getが第2の差ΔVoutからずれる割合を考慮して信頼度の設定を行う。
鍵生成部82は、第1の差ΔVout getが、第2の差ΔVout±αとなることを想定し、第1の差ΔVout getが第2の差ΔVoutからずれる割合を考慮した信頼度設定を行う。
次に、鍵再生成時に信頼度情報Qを採用した高い訂正能力をもった軟判定を行うことが可能なファジー抽出器(Fuzzy Extractor)の構成例について説明する。また、ファジー抽出器の説明においては、一般的なファジー抽出器(硬判定ファジー抽出器)、並びに、初期鍵生成および鍵再生成時に軟判定を行うファジー抽出器との誤り訂正能力の比較結果についても述べる。
図19のファジー抽出器820は、図19(A)に示す初期鍵生成部821および図19(B)に示す鍵再生成部822を有する。
第1のハッシュ部8214において、入力データWに基づいて初期鍵KYIが生成される。この初期鍵KYIは識別データ生成部84に供給される。この初期鍵KYIは、たとえば出荷時の鍵データとしてメモリ86に書き込まれる。
XOR8213においては、入力データWと符号語Cとの排他的論理和がとられ、これにより、1/0のビット列のヘルパーデータSHD(WxorC)が生成される。
このヘルパーデータSHD(WxorC)は、鍵データとは違って秘匿の必要はなく、メモリ86に格納される。メモリ86に格納されたヘルパーデータSHDは、鍵再生成部822における鍵再生成のベースデータとして用いられる。
第1の乗算器8222においては、鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報W(x)Eと信頼度情報Qが乗算されて第1のデータW(x)E(x)Qが取得され、第2の乗算器8223に供給される。このとき、ばらつき情報W(x)Eは軟判定に対応させるために1/0のデータが-1/1のデータとして与えられる。
第2の乗算器8223においては、ヘルパーデータW(x)Cと信頼度情報Qを含む第1のデータW(x)E(x)Qとが乗算され、誤り訂正符号の符号語Cにエラー成分Eと信頼度情報Qが乗算された第2のデータC(x)E(x)Qが取得されて、誤り訂正部8224に供給される。このとき、ヘルパーデータW(x)Cも軟判定に対応させるために1/0のデータが-1/1のデータとして与えられる。
誤り訂正部8224においては、第2のデータC(x)E(x)Qが、信頼度情報Qを利用した相関復号によって復号されて、推定符号語C’が取得され、第3の乗算器8225に供給される。この軟判定時の相関復号に関連して内積をとるために、「0」を「1」、「1」を「-1」と符号が変換されている。
第3の乗算器8225においては、誤り訂正部8224による推定符号語C’とヘルパーデータW(x)Cが乗算されて推定ばらつき情報W’が取得され、符号変換部8226に供給される。
符号変換部8226においては、-1/1のデータが1/0のデータに再変換され、第2のハッシュ部8227に供給される。
第2のハッシュ部8227においては、推定ばらつき情報W’をハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値が再生成鍵K’として出力される。
本実施形態において、CIS-PUFの信頼度情報Qも、この上下に隣接した2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力差から作成する。
そして、本実施形態において採用させるファジー抽出器820は、鍵の再生成時にワンショットで信頼度を得ることを想定している。
そこで、本実施形態では、ワンショットで得られた上下に隣接する2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力値の差を第1の差ΔVout_getとする。
第1の信頼度設定方法では、図20に示すように、鍵生成部82は、鍵再生成時に得られるばらつき情報の2つの出力値の第1の差ΔVout getと、出力値の平均同士の第2の差ΔVoutが一致すると仮定し、ΔVout_get=ΔVoutとする。
このとき、第1の差ΔVout_getが大きければ、2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力分布は重ならず、ビット反転を起こす確率は0に近い。一方、第1の差ΔVout_getが小さければ小さいほど、2つのソースフォロワトランジスタSF-Trの出力分布が重なる面積は大きくなり,ビット反転が起きやすくなる。
この性質を利用し、第1の差ΔVout getが大きいほど、2つの出力値分布が重なる面積は小さくビット反転の確率が小さく、第1の差ΔVout getが小さいほど、2つの出力値分布が重なる面積は大きくビット反転の確率が大きい、と想定して信頼度を設定する。
あるいは、鍵生成部82は、第1の差ΔVout getから想定した2つの出力値分布が重なる面積が最小のとき信頼度を最大とし、重なる面積が大きくなるにつれて信頼度を最小に近づけて信頼度の設定を行う。
仮定のひとつとしては得られた2つの出力が最頻値(平均値)であると仮定する。これはΔVout = ΔVout getとすることである。
そし統計的出力分布を仮定して(たとえば、あるσで与えられる正規分布として)第2の差ΔVoutからふたつの出力分布の重なり面積を計算し、重なり面積100%→反転確率50%→信頼度0、重なり面積0%→反転確率0%→信頼度1として、その間を適当な関数(たとえば直線補完)で補完する。
次に、第1の信頼度設定方法よりも精度の高い第2の信頼度設定方法について説明する。
図21(A)および(B)は、本実施形態に係る第2の信頼度設定方法を説明するための第1の図である。
図22(A)~(D)は、本実施形態に係る第2の信頼度設定方法を説明するための第2の図である。
鍵生成部82は、第1の差ΔVout getが、第2の差ΔVout+x(±α)となることを想定し、第1の差ΔVout getが第2の差ΔVoutからずれる割合を考慮した信頼度設定を行う。
具体的には、図21(B)に示すように、得られた左の出力が最頻値から左にずれている量をa(右にずれている量は負になる)とし、右の出力が最頻値から右にずれている量をb(左にずれている場合は負になる)とする。
これにより、ΔVout = ΔVout get-a-bとなる。
たとえばa(bも同様)の値が正規分布の平均値から±0.5σ内であれば平均値に寄せる。この時はa(b)=0である。次の1σの範囲に入る場合はa(b)=±1σに寄せる。さらにその外の範囲に入る場合はa(b)=±2σに寄せる。
a、bそれぞれの値に寄る確率は図22(D)に示す表のようになる。
この確率をΔVout = ΔVout get-a-bから計算される第2の差ΔVoutより求められる信頼度とを掛け合わせ、すべての和を求める。その結果を図22(C)に示している。
図23において、特性曲線C1が第1の信頼度設定方法による信頼度と第1の差ΔVout getとの関係を示し、特性曲線C2が第2の信頼度設定方法による信頼度と第1の差ΔVout getとの関係を示し、特性曲線C3が比較例である硬判定方法による信頼度と第1の差ΔVout getとの関係を示している。
次に、比較例としての硬判定ファジー抽出器および既存の軟判定ファジー抽出器を説明する。そして、本実施形態に係るファジー抽出器、比較例としての硬判定ファジー抽出器および既存の軟判定ファジー抽出器のエラー訂正能力等について考察する。
まず、比較例としての硬判定ファジー抽出器について説明する。
図24のファジー抽出器830は、図24(A)に示す初期鍵生成部831および図24(B)に示す鍵再生成部832を有する。
第1のハッシュ部8314において、入力データWに基づいて初期鍵KYIが生成される。この初期鍵KYIは識別データ生成部84に供給される。この初期鍵KYIは、たとえば出荷時の鍵データとしてメモリ86に書き込まれる。たとえば初期鍵データをチップ出荷時に、たとえばソフトウェアによって切断することができる電子フューズ(efuse)などのメモリに書き込み、鍵データの再現性を保証するように構成することも可能である。
XOR8313においては、入力データWと符号語Cとの排他的論理和がとられ、これにより、1/0のビット列のヘルパーデータSHD(WxorC)が生成される。
このヘルパーデータSHD(WxorC)は、鍵データとは違って秘匿の必要はなく、メモリ86に格納される。メモリ86に格納されたヘルパーデータSHDは、鍵再生成部832における鍵再生成のベースデータとして用いられる。
XOR8321においては、入力データ(WxorE)とヘルパーデータWxorCとの排他的論理和がとられ、データ(CxorE)として誤り訂正部8322に供給される。
誤り訂正部8322においては、データ(CxorE)に対する復号処理が行われて、エラーEが除去された推定符号語C’が生成され、XOR8323に供給される。
XOR8323においては、推定符号語C’とヘルパーデータ(WxorC)の排他的論理和がとられ、その結果が推定データW’として第2のハッシュ部8324に入力される。
そして、第2のハッシュ部8324において、入力した推定データW’に基づいて再生成鍵K’が生成される。この再生成鍵KYは識別データ生成部84に供給される。
もし、入力データWのノイズが少なく、データ(CxorE)が訂正可能である場合には、C’=Cとなり、W’=Wとなり鍵が再生成される。この場合、再生成鍵は初期鍵と一致する。
本実施形態においては、一次のRM符号の中で,規模の小さいRM(8,4,4)を使うと仮定した.これは、4ビットの情報ビットから8ビットの符号語を生成し,符号語間で最低4ビットのHD(ハミングディスタンス)を持つ。
そのため、本実施形態では、情報量4ビットで、8ビット中1ビットの誤りを訂正できる能力を持つ。このRM(8,4,4)を使うにあたって、PUFレスポンス8ビット中エラービットがnビット含まれる確率を求めた。
上記したように、RM(8,4,4)を例にとる。
符号長8ビット、情報量4ビットで、用いる符号を24=16個 (8bitフルなら28=256個のところ)にして、全ての符号の最小HD(ハミングディスタンス)を4ビットにしている。
ノイズ1ビットであれば、元の正解の符号とのHDが一番小さく、これを真の符号と判定することができる。一方、ノイズ2ビットであればHD2となる候補が複数存在し、真の符号を決められない。ノイズ3ビットtではHD最小が別の符号となり間違ってしまうことになる。
このようにRM(n, k, d)ではd/2-1bit までのノイズ(反転)まで再生可能な符号と言える。
次に、比較例としての既存の軟判定ファジー抽出器について説明する。
ここで、信頼度を利用して判定を行う相関復号について図25に関連付けて説明する。
そして、HD(ハミングディスタンス)が一番小さくなる符号語を候補から選ぶのではなく、候補の符号語と信頼度付きのベクトルで内積を取り、計算結果を最大にする符号語を正しい符号語として選択する。図中、(x)を用いた式は各成分同士の乗算を表す。
ところが、信頼度として(+5,+1,+5,-5)という2ビット目の誤り確率が高いというデータが与えられていれば、2ビット目を誤った(+1,-1,+1,-1)が正しい符号語であったと予測できる。
図26のファジー抽出器840は、図26(A)に示す初期鍵生成部841および図26(B)に示す鍵再生成部842を有する。
鍵の初期生成では、入力データW(x)Qを各成分の符号から符号変換部8414で1/0データに変換されて第1のハッシュ部8315に入力される。そして、第1のハッシュ部8315において、入力データWに基づいて初期鍵KYIが生成される。
また、初期鍵生成部8413においては、乱数生成器8411により生成された乱数Rで符号化部8412にて誤り訂正符号の符号語Cが作成され、その符号語CがXOR8413に供給される。
XOR8413においては、入力データW(x)Qと符号語Cとの排他的論理和がとられ、これにより、1/0のビット列のヘルパーデータSHD(W(x)Q(x)C)が生成される。
誤り訂正部8423においては、データC(x)E(x)Qが、信頼度情報Qを利用した相関復号によって復号されて、推定符号語C’が取得され、第2の乗算器8423に供給される。この軟判定時の相関復号に関連して内積をとるために、「0」を「1」、「1」を「-1」と符号が変換されている。
第2の乗算器8423においては、誤り訂正部8422による推定符号語C’とヘルパーデータW(x)Q(x)Cが乗算されて推定ばらつき情報W’(x)Qが取得され、符号変換部8424に供給される。
符号変換部8424においては、-1/1のデータが1/0のデータに再変換され、第2のハッシュ部8425に供給される。
第2のハッシュ部8425においては、推定ばらつき情報W’をハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値が再生成鍵として出力される。
ここで、C’= Cであるならば,再生成鍵K’は初期鍵Kに一致し,一意なPUF鍵が復元される。
前述したように、後で内積を取るために0→1、1→-1と符号を変換する。
表3に示すように、反転し易いビットは小さいウェイト、反転し難いビットは大きいウェイトを付与する。得られた符号にウェイトをかけ、それぞれの符号との内積をとり、一番高いものを真の符号とする。
反転した部分は内積計算で負の寄与をするが、反転しやすいbitの寄与はウェイトが小さいため、反転していない正の寄与に対し負の寄与は少なく、真の符号が内積最大値を取りえる確率が高くなる。
この特性によって、CIS-PUFでは1回の試行(1枚画像)で信頼度を得ることができる。そのため、既存の軟判定ファジー抽出器840とは違い、鍵の初期生成の際に必ずしも信頼度を付与した大きいヘルパーデータを作成する必要がなく、鍵の再生成時に、その都度信頼度を付与したPUFレスポンスを用意するという方法をとることができる。
さらに、信頼度を付与する分、硬判定ファジー抽出器830よりも高い訂正能力が期待できる。
次に、実データを用いたエラービットの訂正で能力の評価結果について述べる。まず、レスポンスに含まれるエラービットの割合を述べ、レスポンスに含まれたエラービットの数に応じた訂正能力ついて述べる。
CIS-PUFに本実施形態に係る新・軟判定ファジー抽出器を適応させるにあたって、実際にどれだけの訂正能力が得られるのかを実データから確認する。実データとしては、5チップの出力データをそれぞれ100回試行(画像100枚)分用意した。
ここでは、前述したように、軟判定ファジー抽出器に使う誤り訂正符号に一次のリードマラー符号(RM符号)を使用する。この符号は比較的簡単な構造をしており、効率的に符号化が行えるため、ファジー抽出器の検討には向いているといえる。
今回は一次のRM符号の中で、規模の小さいRM(8,4,4)を使うと仮定した。これは、4ビットの情報ビットから8ビットの符号語を生成し、符号語間で最低4ビットのHD(ハミングディスタンス)を持つ。
そのため、情報量4ビットで、8ビット中1ビットの誤りを訂正できる能力を持つ。このRM(8,4,4)を使うにあたって、PUFレスポンス8ビット中エラービットがnビット含まれる確率を求めた。
この基準デ-タと100枚それぞれの1枚データより得られる1/0デ-タとのHD(ハミングディスタンス)を求めることでエラービット数を求める。
ただし、8ビット当たりに含まれるエラービットを求めるため、1チップ1,920×270ビットのレスポンスを8ビットずつ切り取り、64,800ブロック分に分け,5チップ×64,800ブロック×100回試行分(約32M)で計測している。
図27からわかるように、CIS-PUFのレスポンスを8ビットずつ区切った場合、含まれるエラービットはほとんどが0ビット化1ビットであり、多くてもほぼ3ビット以内に収まる。
ここでは、上述したエラービット解析得た各1枚試行のレスポンスを実際にファジー抽出器に通し、訂正が成功するかを確認する。
レスポンスを通すファジー抽出器は硬判定方式、本実施形態に係る本実施形態に係る第1の信頼度設定方法および第2の信頼度設定方法の3通りを試した。図28は、8ビット中エラービットがnビット含まれていた場合の訂正が成功する確率を示している。
図24において、特性曲線C11が第1の信頼度設定方法によるエラービットと確率との関係を示し、特性曲線C12が第2の信頼度設定方法によるエラービットと確率との関係を示し、特性曲線C13が比較例である硬判定方法によるエラービットと確率との関係を示している。
新・軟判定ファジー抽出器では,硬判定で1ビットまでしか訂正できないRM(8,4,4)で2ビットエラーまではほぼ確実に訂正でき、3ビットエラーにおいてもいくらかの確率で訂正が成功している。
さらに、ランダムノイズによる第1の差ΔVout_getのずれを考慮した第2の信頼度設定方法においては、考慮しなかった場合よりも訂正能力が向上することが分かった。
また、図28では、3ビットエラーした場合の訂正能力に不安は残るが、図27からCIS-PUFのレスポンスにおいて8ビット内に含まれるエラービットの出現確率を考慮すと、本実施形態に係る新・軟判定ファジー抽出器で訂正に1回失敗したとしても、複数回鍵の再生成処理を行えば正しい再生成鍵を作成することができると考えられる。
この特性によって、CIS-PUFでは1回の試行(1枚画像)で信頼度を得ることができる。そのため、既存の軟判定ファジー抽出器840とは違い、鍵の初期生成の際に必ずしも信頼度を付与した大きいヘルパーデータを作成する必要がなく、鍵の再生成時に、その都度信頼度を付与したPUFレスポンスを用意するという方法をとることができる。
さらに、信頼度を付与する分、硬判定ファジー抽出器830よりも高い訂正能力が期待できる。
たとえば、次のように構成することも可能である。
また、一体化部85は、一体化する鍵情報を用いて画像に電子透かしを入れる機能を含むように構成してもよい。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、アンプ(AMP、増幅器)のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、S/H回路のばらつき情報を採用することができる。
また、情報取得部81は、読み出し回路40の構成回路のばらつき情報CFLCとして、カラムメモリのSRAMの出力(ばらつき)情報を採用することができる。
さらに、電子機器400は、このCMOSイメージセンサ410の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)420を有する。
電子機器400は、CMOSイメージセンサ410の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)430を有する。
信号処理回路430で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
Claims (15)
- 光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)を含み、前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成するレスポンスデータ生成部と、を有し、
前記レスポンスデータ生成部は、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて固有鍵を生成し、
前記ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)は、
初期鍵生成時に取得したレスポンスとしてのばらつき情報に基づいて初期鍵およびヘルパーデータを生成する初期鍵生成部と、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて軟判定を行って固有鍵を生成する鍵再生成部と、を含み、
前記初期鍵生成部は、
取得されたレスポンスとしてのばらつき情報Wをハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を初期鍵として出力する第1のハッシュ部と、
前記取得されたばらつき情報Wと、乱数を用いて作成した誤り訂正符号の符号語Cとの排他的論理和(WxorC)をヘルパーデータとして出力する排他的論理和部と、を含み、
前記鍵再生成部は、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報より予測した信頼度情報Qを取得する信頼度情報取得部と、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報W(x)Eと前記信頼度情報Qを乗算して第1のデータW(x)E(x)Qを取得する第1の乗算器と、
前記ヘルパーデータW(x)Cと前記信頼度情報Qを含む前記第1のデータとを乗算して前記誤り訂正符号の符号語Cにエラー成分Eと信頼度情報Qが乗算された第2のデータC(x)E(x)Qを取得する第2の乗算器と、
前記第2のデータC(x)E(x)Qを、前記信頼度情報Qを利用した相関復号によって復号し、推定符号語C’を取得する誤り訂正部と、
前記誤り訂正部による推定符号語C’と前記ヘルパーデータW(x)Cを乗算して推定ばらつき情報W’を取得する第3の乗算器と、
前記推定ばらつき情報W’をハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を再生成鍵として出力する第2のハッシュ部と、を含む
固体撮像装置。 - 前記誤り訂正部による推定符号語C’が初期鍵生成時の符号語Cと一致しているならば,再生成鍵は初期鍵と一致する
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記鍵再生成部は、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報W(x)E、および前記ヘルパーデータW(x)Cは、1/0のデータが-1/1のデータに変換して与えられ、
前記第2のハッシュ部への入力前に-1/1のデータが1/0のデータに再変換される
請求項1または2記載の固体撮像装置。 - 前記ばらつき情報は、1ビット当たり2つの出力値が得られる複数ビットのデジタル値として取得され、
前記レスポンスデータ生成部は、
前記ばらつき情報の2つの出力値を前記信頼度情報として利用する
請求項1から3のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記ばらつき情報の2つの出力値の差分値でビット反転し易い、ビット反転しにくい程度を予測可能であり、
前記レスポンスデータ生成部は、
鍵再生成時に得られる前記ばらつき情報の2つの出力値の差分値から前記信頼度情報を予測する
請求項4記載の固体撮像装置。 - 前記レスポンスデータ生成部は、
鍵再生成時に得られる前記ばらつき情報の2つの出力値の第1の差と、前記出力値の平均同士の第2の差が一致すると仮定し、
前記第1の差が大きいほど、前記2つの出力値分布が重なる面積は小さくビット反転の確率が小さく、前記第1の差が小さいほど、前記2つの出力値分布が重なる面積は大きくビット反転の確率が大きい、と想定して信頼度を設定する
請求項4または5記載の固体撮像装置。 - 前記レスポンスデータ生成部は、
前記第1の差から想定した2つの出力値分布が重なる面積が最大のとき信頼度を最低とし、重なる面積が小さくなるにつれて信頼度を最大に近づけて信頼度の設定を行う
請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記レスポンスデータ生成部は、
前記第1の差から想定した2つの出力値分布が重なる面積が最小のとき信頼度を最大とし、重なる面積が大きくなるにつれて信頼度を最小に近づけて信頼度の設定を行う
請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記レスポンスデータ生成部は、
鍵再生成時に得られる前記ばらつき情報の2つの出力値の第1の差が、前記出力値の平均同士の第2の差と異なり、値を取得するごとに値が変動し、得られた第1の差が前記第2の差よりも大きい場合と小さい場合が確率的に存在することを前提として、
前記第1の差が前記第2の差からずれる割合を考慮して信頼度の設定を行う
請求項4または5記載の固体撮像装置。 - 前記レスポンスデータ生成部は、
前記第1の差が、第2の差±αとなることを想定し、当該第1の差が前記第2の差からずれる割合を考慮した信頼度設定を行う
請求項9記載の固体撮像装置。 - 前記画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた利得をもって電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンを所定電位にリセットするリセット素子と、を含む
請求項1から10のいずれか一に記載の固体撮像装置。 - 前記画素部は、
一つの前記フローティングディフュージョン、一つの前記ソースフォロワ素子、および一つのリセット素子を複数の前記光電変換素子および前記転送素子で共有する画素共有構造を有する
請求項11記載の固体撮像装置。 - 画素アレイ端に画素出力電圧振幅を制限するクリップ回路が配置されている
請求項12記載の固体撮像装置。 - 光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかの情報を取得する情報取得ステップと、
ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)を適用して、前記情報取得ステップで取得したばらつき情報に関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成するレスポンスデータ生成ステップと、を含み、
前記レスポンスデータ生成ステップにおいて、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて固有鍵を生成し、
前記レスポンスデータ生成ステップに適用する前記ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)によるファジー抽出ステップは、
初期鍵生成時に取得したレスポンスとしてのばらつき情報に基づいて初期鍵およびヘルパーデータを生成する初期鍵生成ステップと、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて軟判定を行って固有鍵を生成する鍵再生成ステップと、を含み、
前記初期鍵生成ステップは、
取得されたレスポンスとしてのばらつき情報Wをハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を初期鍵として出力する第1のハッシュステップと、
前記取得されたばらつき情報Wと、乱数を用いて作成した誤り訂正符号の符号語Cとの排他的論理和(WxorC)をヘルパーデータとして出力する排他的論理和ステップと、を含み、
前記鍵再生成ステップは、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報より予測した信頼度情報Qを取得する信頼度情報取得ステップと、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報W(x)Eと前記信頼度情報Qを第1の乗算器により乗算して第1のデータW(x)E(x)Qを取得する第1の乗算ステップと、
前記ヘルパーデータW(x)Cと前記信頼度情報Qを含む前記第1のデータとを第2の乗算器により乗算して前記誤り訂正符号の符号語Cにエラー成分Eと信頼度情報Qが乗算された第2のデータC(x)E(x)Qを取得する第2の乗算ステップと、
前記第2のデータC(x)E(x)Qを、前記信頼度情報Qを利用した相関復号によって復号し、推定符号語C’を取得する誤り訂正ステップと、
前記誤り訂正ステップによる推定符号語C’と前記ヘルパーデータW(x)Cを第3の乗算器により乗算して推定ばらつき情報W’を取得する第3の乗算ステップと、
前記推定ばらつき情報W’をハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を再生成鍵として出力する第2のハッシュステップと、を含む
固体撮像装置の駆動方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換機能を有する複数の画素が行列状に配列された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)を含み、前記画素のばらつき情報および前記読み出し部のばらつき情報の少なくともいずれかに関連付けて固有鍵を含むレスポンスデータを生成するレスポンスデータ生成部と、を有し、
前記レスポンスデータ生成部は、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて固有鍵を生成し、
前記ファジー抽出器(Fuzzy Extractor)は、
初期鍵生成時に取得したレスポンスとしてのばらつき情報に基づいて初期鍵およびヘルパーデータを生成する初期鍵生成部と、
鍵再生成時に、初期に鍵を生成して得られたヘルパーデータと、鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報と、当該鍵再生成時のばらつき情報より予測した信頼度情報とを用いて軟判定を行って固有鍵を生成する鍵再生成部と、を含み、
前記初期鍵生成部は、
取得されたレスポンスとしてのばらつき情報Wをハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を初期鍵として出力する第1のハッシュ部と、
前記取得されたばらつき情報Wと、乱数を用いて作成した誤り訂正符号の符号語Cとの排他的論理和(WxorC)をヘルパーデータとして出力する排他的論理和部と、を含み、
前記鍵再生成部は、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報より予測した信頼度情報Qを取得する信頼度情報取得部と、
鍵再生成時に得られるエラーを含むレスポンスとしてのばらつき情報W(x)Eと前記信頼度情報Qを乗算して第1のデータW(x)E(x)Qを取得する第1の乗算器と、
前記ヘルパーデータW(x)Cと前記信頼度情報Qを含む前記第1のデータとを乗算して前記誤り訂正符号の符号語Cにエラー成分Eと信頼度情報Qが乗算された第2のデータC(x)E(x)Qを取得する第2の乗算器と、
前記第2のデータC(x)E(x)Qを、前記信頼度情報Qを利用した相関復号によって復号し、推定符号語C’を取得する誤り訂正部と、
前記誤り訂正部による推定符号語C’と前記ヘルパーデータW(x)Cを乗算して推定ばらつき情報W’を取得する第3の乗算器と、
前記推定ばらつき情報W’をハッシュ(Hash)関数に通して得られたハッシュ値を再生成鍵として出力する第2のハッシュ部と、を含む
電子機器。
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一色 良太 Ryota Ishiki,CIS-PUFのエラービット解析と対策手法の検討,電子情報通信学会2017年総合大会講演論文集 基礎・境界/NOLTA PROCEEDINGS OF THE 2017 IEICE,日本,S-22 |
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