KR102192845B1 - Response unstability detection apparatus and method based on response multiple comparison for physical unclonable function - Google Patents

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Abstract

응답 불안정성 감지 회로에 연관되다. 일실시예에 따르면 챌린지 신호(challenge signal)에 대응하는 응답 신호(response signal)를 생성하는 물리적 복제 방지 기능(PUF: Physical Unclonable Function) 회로; 상기 물리적 복제 방지 기능 회로로부터 제1 시점에 출력되는 제1 응답 신호(PUF_OUT1)에서 제N-1 시점에 출력되는 제N-1 응답 신호(PUF_OUTN-1)까지를 저장하는 메모리; 상기 메모리에 저장된 복수의 응답 신호들 중 어느 하나의 신호와 현재의 제N 시점에 출력되는 제N 응답 신호(PUF_OUTN)를 비교하고, 비교 결과에 따라 다른 출력 신호를 이용한 추가적인 비교 여부를 결정하는 비교 회로를 포함할 수 있다.Related to the response instability detection circuit. According to an embodiment, a physical unclonable function (PUF) circuit for generating a response signal corresponding to a challenge signal; A memory for storing from the first response signal PUF_OUT1 output at a first time point from the physical copy prevention function circuit to an N-1th response signal PUF_OUTN-1 output at a time N-1; Comparison of comparing any one of the plurality of response signals stored in the memory with the Nth response signal PUF_OUTN output at the current Nth time point, and determining whether to perform additional comparison using other output signals according to the comparison result Circuitry.

Description

물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 다중 비교를 통한 응답 불안정성 감지 장치 및 방법{RESPONSE UNSTABILITY DETECTION APPARATUS AND METHOD BASED ON RESPONSE MULTIPLE COMPARISON FOR PHYSICAL UNCLONABLE FUNCTION}Response instability detection device and method through response multiple comparison applicable to physical replication impossible functions {RESPONSE UNSTABILITY DETECTION APPARATUS AND METHOD BASED ON RESPONSE MULTIPLE COMPARISON FOR PHYSICAL UNCLONABLE FUNCTION}

본 발명은 하드웨어를 이용한 보안 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체를 이용한 물리적 복제 불가능 함수 시스템에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로에 연관된다.The present invention relates to a security technology using hardware, and more particularly, to a response instability detection circuit applicable to a physically replicable function system using a semiconductor.

CMOS 공정을 기반으로 하는 물리적 복제 불가능 함수(PUF) 시스템은 특정한 입력(Challenge)에 의해 고유 값(ID 또는 Response)을 무작위로 빠르게 생성 할 수 있다. 무작위로 생성되는 고유 값은 CMOS를 이용한 물리적 복제 불가능 칩이 만들어질 때, 동일한 구조(동일한 레이아웃)를 갖는 칩을 생산하더라도 공정상의 불일치(Process Mismatch)에 의해 생성된다.A physically non-replicable function (PUF) system based on a CMOS process can quickly and randomly generate a unique value (ID or Response) by a specific challenge. Randomly generated unique values are generated by process mismatch even if a chip with the same structure (same layout) is produced when a chip that cannot be physically duplicated using CMOS is made.

물리적 복제 불가능 함수가 외부의 환경 변화에 상관없이 동일한 입력에 의하여 동일한 물리적 값을 가지는 것을 재생산성(Reproducibility) 또는 안정성(Stability)이라는 확률적 성질로 나타낼 수 있고 이러한 확률적 성질은 물리적 복제 불가능 함수의 중요한 성능 지표 중 하나이다.It can be expressed as a probabilistic property called Reproducibility or Stability that a function that cannot be physically replicated has the same physical value by the same input regardless of changes in the external environment. It is one of the important performance indicators.

그러나 종래의 물리적 복제 불가능 함수는 외부 환경(온도변화, 공급전압 변화, 악의적인 공격 등)에 의해 재생산성 측면에서 저조한 성능을 가진다. 따라서 이를 보완하는 물리적 복제 불가능 함수의 개발이 요구된다.However, the conventional physical replication impossible function has poor performance in terms of reproducibility due to external environment (temperature change, supply voltage change, malicious attack, etc.). Therefore, it is required to develop a function that cannot be physically replicated to complement this.

한국 공개특허 10-2016-0048114호 (공개일자 2016년05월03일)는 메모리 기반 PUF를 제시한다. 침입 및 복제 공격들에 저장하기 위한 메모리 기반의 PUF에 관한 발명이다.Korean Patent Publication No. 10-2016-0048114 (published on May 3, 2016) proposes a memory-based PUF. The invention relates to a memory-based PUF for storage in intrusion and duplication attacks.

본 발명의 일실시예에 따른 목적은 기존의 물리적 복제 불가능 함수가 가지는 외부 환경(온도 변화, 공급전압 변화, 악의적인 공격 등)에 의한 재생산성 오류를 해결하는 것이다.An object according to an embodiment of the present invention is to solve a reproducibility error caused by an external environment (temperature change, supply voltage change, malicious attack, etc.) of the existing physical replication impossible function.

본 발명의 일실시예에 따른 다른 목적은 재생산성 오류를 해결하기 위해서 응답 불안정성 감지 회로를 제안하여 불안정한 고유 값을 생성하는 셀을 감지하는 것이다.Another object according to an embodiment of the present invention is to detect a cell generating an unstable eigenvalue by proposing a response instability detection circuit in order to solve a reproducibility error.

일실시예에 따르면 챌린지 신호(challenge signal)에 대응하는 응답 신호(response signal)를 생성하는 물리적 복제 방지 기능(PUF: Physical Unclonable Function) 회로; 상기 물리적 복제 방지 기능 회로로부터 제1 시점에 출력되는 제1 응답 신호(PUF_OUT1)에서 제N-1 시점에 출력되는 제N-1 응답 신호(PUF_OUTN-1)까지를 저장하는 메모리; 상기 메모리에 저장된 복수의 응답 신호들 중 어느 하나의 신호와 현재의 제N 시점에 출력되는 제N 응답 신호(PUF_OUTN)를 비교하고, 비교 결과에 따라 다른 응답 신호를 이용한 추가적인 비교 여부를 결정하는 비교 회로를 포함하는 응답 불안정성 감지 회로가 개시된다.According to an embodiment, a physical unclonable function (PUF) circuit for generating a response signal corresponding to a challenge signal; A memory for storing from the first response signal PUF_OUT1 output at a first time point from the physical copy prevention function circuit to an N-1th response signal PUF_OUTN-1 output at a time N-1; Comparison of comparing any one of the plurality of response signals stored in the memory with the Nth response signal PUF_OUTN output at the current Nth time point, and determining whether to perform additional comparison using other response signals according to the comparison result A response instability detection circuit comprising a circuit is disclosed.

다른 일실시예에 따르면 상기 비교 회로는, 상기 제1 응답 신호부터 제N-1 응답 신호까지 제N 응답 신호와 순차적으로 비교하는 응답 불안정성 감지 회로도 개시된다.According to another embodiment of the present disclosure, the comparison circuit may also include a response instability detection circuit that sequentially compares the first response signal to the N-1th response signal with the Nth response signal.

또 다른 일실시예에 따르면 상기 메모리는, 상기 비교 회로의 비교 결과를 저장하고, 과거의 응답과 현재의 응답이 일치하지 않는 경우에, 상기 물리적 복제 방지 기능 회로에 안정성 체크 비트(Stability Check Bit)를 전송하는 응답 불안정성 감지 회로일 수 있다.According to another embodiment, the memory stores the comparison result of the comparison circuit, and when the past response and the current response do not match, a stability check bit in the physical copy protection function circuit It may be a response instability detection circuit that transmits.

다른 일실시예에 따르면 상기 비교 회로는, 미리 지정되는 횟수 만큼 상기 메모리에 저장된 복수의 응답 신호들과 상기 제N 응답 신호를 비교하고, 비교 결과가 상기 메모리에 저장된 복수의 응답 신호들과 상기 제N 응답 신호에 대하여 동일한 경우에 상기 제N 응답 신호를 상기 물리적 복제 방지 기능 회로의 키 신호로 사용하는 응답 불안정성 감지 회로도 제시된다.According to another embodiment, the comparison circuit compares a plurality of response signals stored in the memory and the N-th response signal for a predetermined number of times, and a comparison result is obtained from the plurality of response signals stored in the memory and the A response instability detection circuit using the Nth response signal as a key signal of the physical copy prevention function circuit in the same case as for the N response signal is also provided.

일실시예에 따르면 상기 비교 회로는, 상기 인에이블 신호의 하강 에지의 개수를 계수하고 상기 하강 에지의 개수가 2가 되는 경우에 신호를 출력하는 2비트 카운터; 상기 인에이블 신호, 리셋 신호 및 상기 2비트 카운터의 출력 신호를 입력받아 비교 샘플링 클록 신호(XOR_SAMPLING_CLK)를 출력하는 NOR 게이트를 더 포함하는 응답 불안정성 감지 회로도 개시된다.According to an embodiment, the comparison circuit includes a 2-bit counter that counts the number of falling edges of the enable signal and outputs a signal when the number of falling edges becomes 2; Also disclosed is a response instability detection circuit further comprising a NOR gate for receiving the enable signal, the reset signal, and the output signal of the 2-bit counter and outputting a comparison sampling clock signal XOR_SAMPLING_CLK.

일실시예에 따르면 물리적 복제 불가능 함수의 고유 값이 생성될 때 응답 다중 비교를 통한 각 셀의 응답 안정성 정보가 같이 생성되기 때문에 설계자의 목적이나 보안 칩의 용도에 따라 추가 회로를 통해 칩 내부에서 오류를 해결하거나, 불안정성 정보를 물리적 복제 불가능 함수의 고유 값과 함께 칩 외부로 송신하여 후처리과정(Post-Processing)을 통해 오류를 해결할 수 있다.According to an embodiment, when the eigenvalue of the function that cannot be physically replicated is generated, the response stability information of each cell through response multiple comparison is generated together, so an error in the chip through an additional circuit depending on the purpose of the designer or the use of the security chip. Or by transmitting the instability information to the outside of the chip together with the intrinsic value of the physically replicable function, the error can be resolved through post-processing.

일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 다중 비교를 통한 응답 불안정성 감지 기법은 물리적 복제 불가능 함수와 함께 보안이 필요하지만 소프트웨어를 이용한 보안시스템을 적용하기 힘든 다양한 분야에서 활용될 수 있다.The response instability detection method through response multiple comparison applicable to a physically replicable function according to an embodiment requires security along with a physically replicable function, but can be used in various fields where it is difficult to apply a security system using software.

구체적으로 효율 상 마이크로프로세서를 활용하기 어려운 저 전력 초소형 사물인터넷(IoT)장치에 적용하여 효율적으로 보안성을 향상시킬 수 있다. 또한 저 가격(Low Cost), 저 전력(Low Power), 고 효율(High Efficiency)의 난수 발생기 그리고 신원 인증 시스템 등에 활용할 수 있다.Specifically, it is possible to efficiently improve security by applying it to a low-power micro-internet (IoT) device that is difficult to utilize a microprocessor for efficiency. In addition, it can be used for low-cost, low-power, high-efficiency random number generators, and identity authentication systems.

본원 발명의 목적 및 효과는 예시적인 기재이므로 상기 서술한 내용에 의해 국한되지 않고, 본원 발명의 내용은 상기 목적 및 효과에 의해 제한하여 해석되지 않는다.The objects and effects of the present invention are not limited to the above-described contents as they are exemplary descriptions, and the contents of the present invention are not limited by the above objects and effects and are not interpreted.

도 1은 일실시예에 따른 종래의 상호 보완적인 응답을 갖는 물리적 복제 불가능 함수의 단일 셀을 도시한다.
도 2는 일실시예에 따른 종래의 지연기반 물리적 복제 불가능 함수의 단일 셀을 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로의 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로의 구성과 동작을 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로의 불안정성 감지 시뮬레이션 결과를 도시한다.
1 shows a single cell of a physically non-replicable function with a conventional complementary response according to an embodiment.
2 shows a single cell of a conventional delay-based physical replication impossible function according to an embodiment.
3 is a block diagram showing a system of a response instability detection circuit applicable to a physical replication impossibility function according to an embodiment.
4 illustrates a configuration and operation of a response instability detection circuit applicable to a physically replicable function according to an embodiment.
5 shows a simulation result of instability detection of a response instability detection circuit applicable to a physically replicable function according to an embodiment.

이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the rights is not limited or limited by these embodiments. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technology field, but there may be other terms depending on the development and/or change of technology, customs, preferences of technicians, and the like. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as exemplary terms for describing embodiments.

또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, detailed meanings will be described in the corresponding description. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not just the name of the term.

도 1은 일실시예에 따른 종래의 상호 보완적인 응답을 갖는 물리적 복제 불가능 함수의 단일 셀 구성을 도시한다.1 is a diagram illustrating a single cell configuration of a physically replicable function having a complementary response according to the related art according to an embodiment.

공급전원(VDD)이 인가되어 있으면, 인에이블(Sense Enable, SE) 노드에 공급전원 레벨의 신호가 입력될 때 물리적 복제 불가능 함수는 디지털 메모리의 초기 상태(Power-Up State)의 동작 불안정성 특성을 이용해 응답 또는 고유 값을 생성하기 시작한다.When the supply power (VDD) is applied, when a signal of the supply power level is input to the Sense Enable (SE) node, the function that cannot be physically replicated indicates the operation instability characteristic of the power-up state of the digital memory. To start generating responses or unique values.

생성된 응답은 워드라인 동작 신호(Word Line, WL)를 통해 선택적으로 PUF_OUT과 PUF_OUT_B 버스에 전달된다. 이 때, PUF_OUT 버스에 전달되는 응답과 PUF_OUT_B 버스에 전달되는 응답은 보수(Complement) 관계를 갖는다. 결정되는 응답(1 또는 0)은 공정상의 불일치를 비롯하여 다양한 외부 요인에 의해 결정될 수 있다.The generated response is selectively transmitted to the PUF_OUT and PUF_OUT_B buses through a word line operation signal (Word Line, WL). At this time, the response transmitted to the PUF_OUT bus and the response transmitted to the PUF_OUT_B bus have a complement relationship. The determined response (1 or 0) can be determined by various external factors, including process discrepancies.

IN1과 IN2는 바이어스 입력단으로서, 두 노드의 전압을 통해 물리적 복제 불가능 함수의 동작 특성이 바뀔 수 있으며, 예시적으로 그러나 한정되지 않게 두 노드에 VDD 레벨의 전압을 인가할 수 있다.IN1 and IN2 are bias input terminals, and the operating characteristics of the physically non-replicable function may be changed through the voltages of the two nodes. For example, but not limited to, a voltage of the VDD level may be applied to both nodes.

도 2는 일실시예에 따른 종래의 지연기반 물리적 복제 불가능 함수의 단일 셀을 도시한다.2 shows a single cell of a conventional delay-based physical replication impossible function according to an embodiment.

일실시예에 따른 종래의 지연기반 물리적 복제 불가능 함수를 생성하는 방법은, 한 칩 내에서 동일한 두 경로를 생성해 디지털 방식의 경주 경기를 형성하고, 마지막 단에서 아비터(Arbiter) 회로가 어느 신호가 먼저 도착 지점에 도착했는지를 판단함으로써 생성한다.In the method of generating a delay-based physically non-replicable function according to an embodiment, a digital race race is formed by creating two identical paths within one chip, and an arbiter circuit at the end First, it is created by determining whether it has arrived at the destination point.

두 경로가 동일하게 설계되었다면, 칩의 제작 중에 발생하는 공정상의 불일치에 의해 경주 게임의 승리자가 결정될 것이므로 이를 물리적 복제 불가능 함수로 활용할 수 있다.If the two paths are designed identically, the winner of the race game will be determined by the discrepancy in the process that occurs during chip manufacturing, so this can be used as a function that cannot be physically duplicated.

상기 설명한 개념을 회로로 구현한 일실시예가 도 2에서 도시된다. 공급전원(VDD)을 회로에 인가한 후, 인에이블(Enable) 노드에 상승 에지의 신호가 입력되면, 첫 단에 위치한 두 개의 멀티플렉서(Multiplexer, MUX)는 챌린지 신호(Challenge X[0])의 논리 상태에 따라 입력 노드 0과 1에 연결된 인에이블(Enable) 신호를 선택적으로 출력하여 다음 단에 전달한다.An embodiment in which the above-described concept is implemented as a circuit is shown in FIG. 2. After applying the supply power (VDD) to the circuit, when the rising edge signal is input to the enable node, the two multiplexers (MUX) located in the first stage are the challenge signal (Challenge X[0]). Depending on the logic state, an enable signal connected to input nodes 0 and 1 is selectively output and transmitted to the next stage.

각 단에 위치한 두 개의 멀티플렉서(MUX)의 출력은 다음 단에 위치한 두 개의 멀티플렉서의 입력 노드 0 또는 1에 연결되어 있기 때문에 챌린지 신호(Challenge X[0], X[1], X[2], …, X[255])에 따라 마지막 단에 위치한 D-플립플롭(DFF)으로 구성되는 아비터(Arbiter)의 D 노드와 클록(Clock) 노드에 상승 에지의 인에이블 신호가 도착하는 시간 사이에 지연이 생기게 된다. 상기 시간 지연은 챌린지 신호 와 공정상의 불일치 또는 자연법칙에 의해 결정되며 예측될 수 없다.Since the outputs of the two multiplexers (MUX) in each stage are connected to the input nodes 0 or 1 of the two multiplexers in the next stage, the challenge signals (Challenge X[0], X[1], X[2], …, delay between the time when the enable signal of the rising edge arrives at the D node of the Arbiter consisting of the D-flip-flop (DFF) located at the last stage according to X[255]) and the clock node Is produced. The time delay is determined by the challenge signal and the process discrepancy or natural law and cannot be predicted.

멀티플렉서의 단 수가 늘수록, 챌린지 신호의 비트 폭(Bit-Width)이 증가하며, 시간 지연이 증가한다. 또한, 도 2의 물리적 복제 불가능 함수 시스템을 병렬로 확장하면, 응답 신호(Response)의 비트폭이 증가할 수 있다.As the number of stages of the multiplexer increases, the bit-width of the challenge signal increases, and the time delay increases. In addition, if the physically replicable function system of FIG. 2 is expanded in parallel, the bit width of the response signal may increase.

따라서 물리적 복제 불가능 함수를 설계하는 경우에, 허용되는 리소스(Resource) 안에서 무수히 많은 챌린지 신호(Challenge)와 응답 신호(Response) 또는 챌린지-응답 쌍(Challenge-Response Pair)을 가지는 물리적 복제 불가능 함수를 설계할 수 있다.Therefore, when designing a function that cannot be physically replicated, design a function that cannot be physically replicated having a myriad of challenge signals and response signals or challenge-response pairs within the allowed resources. can do.

지연기반 물리적 복제 불가능 함수의 경우에, 시간 지연에 기반을 두기 때문에 동작속도가 느리지만 다수의 챌린지-응답 쌍(Challenge-Response Pair)을 가지기 때문에 정보 보호의 인증 또는 암호화 시스템에 활용될 수 있다.In the case of a delay-based physically non-replicable function, the operation speed is slow because it is based on a time delay, but because it has multiple Challenge-Response Pairs, it can be used in an authentication or encryption system for information protection.

결과적으로 공정상의 불일치, 동작 온도의 변동 또는 공급 전원에 포함되어 있는 노이즈에 의해 발생할 수 있는 물리적 복제 불가능 함수의 재생산성 확률의 오류를 줄이기 위한 방법을 설명한다. 구체적으로 응답의 다중 비교를 통해 불안정한 응답을 감지하는 기법이다.As a result, a method for reducing an error in the reproducibility probability of a physically non-replicable function that can be caused by a process discrepancy, a fluctuation in operating temperature, or a noise included in a supply power is described. Specifically, it is a technique to detect unstable responses through multiple comparisons of responses.

도 3은 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로(300)를 나타낸 블록도이다. 일실시예에 따른 응답 불안정성 감지 회로(300)는 메모리(320)와 비교 회로(330)로 구성될 수 있다.3 is a block diagram illustrating a response instability detection circuit 300 applicable to a physical replication impossibility function according to an embodiment. The response instability detection circuit 300 according to an embodiment may include a memory 320 and a comparison circuit 330.

물리적 복제 불가능 함수(Physical Unclonable Function, 310)가 응답(PUF_OUT)을 생성하면 메모리(320)는 생성된 상기 응답(PUF_OUT)을 저장한다. 비교 회로(330)는 물리적 복제 불가능 함수(310)의 현재 응답(PUF_OUTt)을 메모리(320)에 저장되어 있는 과거 응답들(PUF_OUTt -1, PUF_OUTt -2, PUF_OUTt -3, …, PUF_OUTt-n)과 순차적으로 비교한다.When a physical unclonable function 310 generates a response PUF_OUT, the memory 320 stores the generated response PUF_OUT. The comparison circuit 330 stores the current response (PUF_OUT t ) of the physically replicable function 310 in the memory 320 and stores the past responses PUF_OUT t -1 , PUF_OUT t -2 , PUF_OUT t -3 , ..., PUF_OUT tn ) is compared sequentially.

상기 비교 결과를 메모리(320)으로 다시 전송하여 저장한다. 상기 메모리(320)는 입력 받은 비교 결과에 기초하여 다음 비교를 진행할지 여부를 결정한다. 구체적으로, 과거의 응답과 현재의 응답이 일치하지 않는 경우에 다음 비교를 진행하지 않고, 물리적 복제 불가능 함수(310)에 안정성 체크 비트(Stability Check Bit)를 전송한다.The comparison result is transmitted back to the memory 320 and stored. The memory 320 determines whether to perform the next comparison based on the received comparison result. Specifically, when the past response and the current response do not match, the next comparison is not performed, and a stability check bit is transmitted to the physical replication impossible function 310.

불안정한 응답은 키로 사용하지 않고, 안정한 응답만 키로 사용하게 한다. 미리 지정되는 횟수 만큼의 비교를 수행하여 과거 응답들((PUF_OUTt -1, PUF_OUTt -2, PUF_OUTt-3, …, PUF_OUTt -n))과 현재 응답(PUF_OUTt) 사이에 차이가 없다면 안정한 응답이므로, 이 경우의 응답을 키로 사용할 수 있도록 한다.Unstable responses are not used as keys, only stable responses are used as keys. If there is no difference between the past responses ((PUF_OUT t -1 , PUF_OUT t -2 , PUF_OUT t-3 , …, PUF_OUT t -n )) and the current response (PUF_OUT t ) by performing comparison as many times as a preset number of times Since it is a stable response, the response in this case can be used as a key.

도 4에서는 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로(400)의 구체적인 구성과 동작을 예를 들어 설명한다.In FIG. 4, a specific configuration and operation of the response instability detection circuit 400 applicable to the physically replicable function according to an embodiment will be described as an example.

가장 먼저 응답 불안정성 감지 회로(400)에 전원을 공급하고,

Figure 112018093952731-pat00001
신호를 이용해 전체 회로(400)를 초기화한다.First of all, power is supplied to the response instability detection circuit 400,
Figure 112018093952731-pat00001
The entire circuit 400 is initialized using the signal.

다음으로, 상보적인 응답을 갖는 물리적 복제 불가능 함수(Complementary PUF, 410)가 인에이블 신호(SE)의 상승에 의해 응답을 생성한다. 상기 응답은 상보적이므로 PUF_OUT과

Figure 112018093952731-pat00002
로 나타난다. PUF_OUT과
Figure 112018093952731-pat00003
는 보수 관계에 있기 때문에 XOR 연산을 수행하면, 상승 에지의 신호가 생성되며 상기 상승 에지의 신호는 디멀티플렉서(1 to 2 DE-MUX)의 입력 신호(DEMUX_EDGE)로 입력된다.Next, a physically replicable function (Complementary PUF) 410 having a complementary response generates a response by rising of the enable signal SE. The response is complementary, so PUF_OUT and
Figure 112018093952731-pat00002
Appears as With PUF_OUT
Figure 112018093952731-pat00003
Since is in the complement relationship, when XOR operation is performed, a rising edge signal is generated, and the rising edge signal is input as an input signal DEMUX_EDGE of the demultiplexer (1 to 2 DE-MUX).

동시에, 분주기(1/2 Divider)가 인에이블 신호(SE)를 입력으로 받아, 상기 인에이블 신호(SE)를 분주비 2로 분주한다. 분주된 인에이블 신호는 상기 디멀티플렉서(1 to 2 DE-MUX)의 선택 신호(DMX_SEL)로 인가된다.At the same time, the divider (1/2 Divider) receives the enable signal (SE) as an input, and divides the enable signal (SE) by the division ratio 2. The divided enable signal is applied to the selection signal DMX_SEL of the demultiplexer 1 to 2 DE-MUX.

결과적으로 인에이블 신호(SE)가 상승할 때마다 디멀티플렉서에 연결된 두 개의 D플립플롭(D Flip-Flop) 중 어느 하나가 디멀티플렉서에 의해 순차적으로 선택(DMX_SEL)된다. 상기 두 개의 D플립플롭 중 선택된 D플립플롭이 상승 에지 신호(DEMUX_EDGE)를 클록으로 입력받아, PUF_OUT을 샘플링한다. 샘플링된 PUF_OUT은 연결된 XOR 게이트를 통해 출력되는 신호(XOR_OUT)에 의해 응답의 안정성을 평가한다.As a result, whenever the enable signal SE rises, one of the two D Flip-Flops connected to the demultiplexer is sequentially selected (DMX_SEL) by the demultiplexer. The selected D flip-flop among the two D flip-flops receives the rising edge signal DEMUX_EDGE as a clock and samples PUF_OUT. The sampled PUF_OUT evaluates the stability of the response by the signal (XOR_OUT) output through the connected XOR gate.

두 신호의 논리레벨이 다를 때 XOR 게이트는 High 레벨의 신호를 출력하므로 상기 XOR 게이트를 통해 샘플링된 PUF_OUT의 응답 안정성을 평가할 수 있다.When the logic levels of the two signals are different, the XOR gate outputs a high level signal, so that the response stability of the PUF_OUT sampled through the XOR gate can be evaluated.

다만, 두 개의 D플립플롭 모두 특정 PUF_OUT을 샘플링하기 전까지는 응답의 안정성을 판단하면 안되므로 이를 위한 일부 구성을 더 포함한다.However, since the stability of the response should not be determined until both D flip-flops have sampled a specific PUF_OUT, some configurations for this are further included.

인에이블 신호(SE)가 Low 레벨일 때, 상기 인에이블 신호의 하강 에지가 2번 이상일 때, 및

Figure 112018093952731-pat00004
신호가 High 레벨일 때에만 상기 응답의 안정성을 판단할 수 있도록 NOR 게이트와 2비트 카운터(2-bit Counter/Comparator)를 더 포함한다.When the enable signal SE is at a low level, when the falling edge of the enable signal is two or more times, and
Figure 112018093952731-pat00004
It further includes a NOR gate and a 2-bit counter (2-bit counter/Comparator) to determine the stability of the response only when the signal is at a high level.

상기 2비트 카운터는 상기 인에이블 신호의 하강 에지의 개수를 계수하고 비교하여 하강 에지의 개수가 2일 때 계수를 멈추고, Low 레벨의 신호(CNT_OVERFLOW)가 출력된다.The 2-bit counter counts and compares the number of falling edges of the enable signal, and stops counting when the number of falling edges is 2, and a low level signal CNT_OVERFLOW is output.

출력되는 상기 Low 레벨의 신호(CNT_OVERFLOW)를 인에이블 신호, 및

Figure 112018093952731-pat00005
신호와 함께 NOR 게이트에 입력한다. 이 경우 상기 조건들에 부합하는 경우에만 NOR 게이트의 출력(XOR_SAMPLING_CLK)으로 상승 에지의 신호가 생성된다.An enable signal of the output low level signal (CNT_OVERFLOW), and
Figure 112018093952731-pat00005
It is input to the NOR gate with the signal. In this case, a rising edge signal is generated as the output of the NOR gate (XOR_SAMPLING_CLK) only when the above conditions are met.

결과적으로 상기 NOR 게이트의 출력(XOR_SAMPLING_CLK) 신호를 마지막 단의 D플립플롭의 클록으로 인가함으로써 상기 조건들에 부합하는 경우에만 응답 불안정성 판단 결과(XOR_OUT)를 샘플링 할 수 있다.As a result, the response instability determination result (XOR_OUT) can be sampled only when the above conditions are satisfied by applying the output (XOR_SAMPLING_CLK) signal of the NOR gate to the clock of the D flip-flop of the last stage.

상기

Figure 112018093952731-pat00006
신호를 이용하여 전체 회로(400)를 초기화하면, 위 설명한 과정을 처음부터 다시 반복한다. 이를 통해 인에이블 신호,
Figure 112018093952731-pat00007
신호 및 상호 보완적인 응답을 갖는 물리적 복제 불가능 함수의 응답 신호(PUF_OUT,
Figure 112018093952731-pat00008
)만을 이용한 응답 안정성 판단이 가능하다. 즉, 추가적인 제어 신호 없이 응답의 다중 비교를 통한 물리적 복제 불가능 함수의 안정성을 판단할 수 있다. 또한, 회로가 초기화되기 전까지는 연속해서 응답을 비교하므로, 비교 횟수에도 제약이 없다.remind
Figure 112018093952731-pat00006
When the entire circuit 400 is initialized using a signal, the above-described process is repeated from the beginning. This allows the enable signal,
Figure 112018093952731-pat00007
Signal and the response signal of a physically non-replicable function with a complementary response (PUF_OUT,
Figure 112018093952731-pat00008
), it is possible to judge response stability. That is, it is possible to determine the stability of a function that cannot be physically replicated through multiple comparisons of responses without an additional control signal. In addition, the response is continuously compared until the circuit is initialized, so there is no limit to the number of comparisons.

도 5는 일실시예에 따른 물리적 복제 불가능 함수에 적용 가능한 응답 불안정성 감지 회로의 불안정성 감지 시뮬레이션 결과를 도시한다. 구체적으로 도 5에서는 도 4에서 예시한 응답 불안정성 감지 회로의 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸다.5 shows a simulation result of instability detection of a response instability detection circuit applicable to a physically replicable function according to an embodiment. Specifically, in FIG. 5, a simulation result of the response instability detection circuit illustrated in FIG. 4 is shown as a graph.

물리적 복제 불가능 함수의 응답(PUF_OUT)이 인에이블 신호(SE)의 상승에 의해 생성될 때 마다, 이전 시행에서 생성된 응답(PUF_OUT)과 논리 레벨이 다르다면 도 5와 같이 안정성 체크 비트(Stability Check Bit) 신호가 High 레벨을 나타내게 된다. 즉, 물리적 복제 불가능 함수의 응답(PUF_OUT)이 변화하는 시점에서 안정성 체크 비트를 생성한다.Whenever the response (PUF_OUT) of the physical replication impossible function is generated by the rise of the enable signal (SE), if the logic level is different from the response (PUF_OUT) generated in the previous trial, the stability check bit (Stability Check) as shown in FIG. Bit) signal indicates high level. That is, a stability check bit is generated at a point in time when the response (PUF_OUT) of the physical replication impossible function changes.

도 5에서는 예시적으로 물리적 복제 불가능 함수의 응답이 "1"에서 "0"으로 변화하는 순간에 안정성 체크 비트를 생성한다.In FIG. 5, for example, a stability check bit is generated when the response of the physically replicable function changes from "1" to "0".

대규모 어레이 형식을 가지는 현대의 물리적 복제 불가능 함수는 일실시예에 따른 응답 불안정성 감지 회로를 활용하여 특정 비트의 응답이 안정한지 불안정한지를 판단할 수 있다.The modern physically replicable function having a large array format can determine whether a response of a specific bit is stable or unstable using a response instability detection circuit according to an embodiment.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodyed in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the embodiment, and vice versa.

실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited drawings, various modifications and variations are possible from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (5)

인에이블 신호(SE)의 상승에 의해, 서로 상보적인 응답(PUF_OUT)과 응답(
Figure 112020045173769-pat00014
)을 생성하는 물리적 복제 불가능 함수(Complementary PUF, 410);
상기 응답(PUF_OUT)과 상기 응답(
Figure 112020045173769-pat00015
)에 대해 XOR 연산을 수행하여 생성되는 입력 신호(DEMUX_EDGE)와, 분주기(1/2 Divider)로부터의 선택 신호(DMX_SEL)를 인가받아, 두 개의 제1 D플립플롭(D Flip-Flop) 중 어느 하나를 순차적으로 선택하는 디멀티플렉서(1 to 2 DE-MUX); 및
상기 두 개의 제1 D플립플롭 각각에서 상기 응답(PUF_OUT)을 모두 샘플링 함에 따라, 상기 샘플링된 두 개의 응답에 대해 XOR 연산을 수행하여 생성되는 신호(XOR_OUT)를 이용하여, 상기 응답(PUF_OUT)의 안정성을 평가하는 제2 D플립플롭
를 포함하고,
상기 제2 D플립플롭은,
1)n비트 카운터로 인가되는 인에이블 신호(SE)가 Low 레벨일 때에, 2)상기 n비트 카운터에서 계수하는 상기 인에이블 신호(SE)의 하강 에지가 2번 이상일 때에, 및 3)인가되는
Figure 112020045173769-pat00016
신호가 High 레벨일 때에 상기 응답(PUF_OUT)의 안정성을 평가하는
응답 불안정성 감지 회로.
A response (PUF_OUT) and a response (
Figure 112020045173769-pat00014
) To create a physically replicable function (Complementary PUF, 410);
The response (PUF_OUT) and the response (
Figure 112020045173769-pat00015
), an input signal (DEMUX_EDGE) generated by performing an XOR operation and a selection signal (DMX_SEL) from a divider (1/2 Divider) are applied, and one of the two first D flip-flops is applied. A demultiplexer (1 to 2 DE-MUX) for sequentially selecting any one; And
As the response (PUF_OUT) is sampled from each of the two first D flip-flops, the response (PUF_OUT) is generated using a signal (XOR_OUT) generated by performing an XOR operation on the two sampled responses. The second D flip-flop to evaluate stability
Including,
The second D flip-flop,
1) When the enable signal (SE) applied to the n-bit counter is at a low level, 2) When the falling edge of the enable signal (SE) counted by the n-bit counter is 2 or more times, and 3) is applied
Figure 112020045173769-pat00016
To evaluate the stability of the response (PUF_OUT) when the signal is at high level
Response instability detection circuit.
제1항에 있어서,
챌린지 신호(challenge signal)에 대응하는 응답 신호(response signal)를 생성하는 물리적 복제 방지 기능(PUF: Physical Unclonable Function) 회로(310);
상기 물리적 복제 방지 기능 회로(310)로부터 제1 시점에 출력되는 제1 응답 신호(PUF_OUT1)에서 제N-1 시점에 출력되는 제N-1 응답 신호(PUF_OUTN-1)까지를 저장하는 메모리(320); 및
상기 메모리(320)에 저장된 복수의 응답 신호들 중 어느 하나의 신호와 현재의 제N 시점에 출력되는 제N 응답 신호(PUF_OUTN)를 비교하고, 비교 결과에 따라 다른 응답 신호를 이용한 추가적인 비교 여부를 결정하는 비교 회로(330)
를 더 포함하고,
상기 메모리(320)는,
상기 비교 회로(330)의 비교 결과를 저장하고, 과거의 응답과 현재의 응답이 일치하지 않는 경우에, 상기 물리적 복제 방지 기능 회로(310)에 안정성 체크 비트(Stability Check Bit)를 전송하는
응답 불안정성 감지 회로.
The method of claim 1,
A physical unclonable function (PUF) circuit 310 for generating a response signal corresponding to a challenge signal;
A memory 320 for storing from the first response signal PUF_OUT1 output at a first time point from the physical copy protection circuit 310 to an N-1th response signal PUF_OUTN-1 output at a time N-1 ); And
Comparing any one of the plurality of response signals stored in the memory 320 with the N-th response signal PUF_OUTN output at the current N-th time point, and determining whether or not to perform additional comparison using another response signal according to the comparison result Determining comparison circuit 330
Including more,
The memory 320,
Stores the comparison result of the comparison circuit 330, and transmits a stability check bit to the physical copy prevention function circuit 310 when the past response and the current response do not match.
Response instability detection circuit.
삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 비교 회로(330)는,
미리 지정되는 횟수 만큼 상기 메모리(320)에 저장된 복수의 응답 신호들과 상기 제N 응답 신호를 비교하고, 비교 결과가 상기 메모리(320)에 저장된 복수의 응답 신호들과 상기 제N 응답 신호에 대하여 동일한 경우에 상기 제N 응답 신호를 상기 물리적 복제 방지 기능 회로(310)의 키 신호로 사용하는
응답 불안정성 감지 회로.
The method of claim 2,
The comparison circuit 330,
A plurality of response signals stored in the memory 320 and the N-th response signal are compared for a predetermined number of times, and a comparison result is obtained with respect to the plurality of response signals and the N-th response signal stored in the memory 320 In the same case, the N-th response signal is used as a key signal of the physical copy prevention function circuit 310
Response instability detection circuit.
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