WO2013088939A1 - 識別情報生成装置及び識別情報生成方法 - Google Patents

識別情報生成装置及び識別情報生成方法 Download PDF

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WO2013088939A1
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澄夫 森岡
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日本電気株式会社
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    • H04L2209/24—Key scheduling, i.e. generating round keys or sub-keys for block encryption

Definitions

  • the present invention relates to an identification information generation apparatus and an identification information generation method for generating identification information that can identify an individual.
  • an ID Identity Data
  • the ID is often used for security processing such as device authentication and encryption.
  • security processing even if the security of a certain device is broken, it is possible to obtain an effect such as preventing the influence from being chained to other devices.
  • a mechanism for generating an ID that varies depending on an individual is realized by hardware, not software, from the viewpoint of safety.
  • a semiconductor element such as an LSI (Large Scale IC) is used. In this case, it is not realistic to change the manufacturing mask for each individual semiconductor element.
  • the ID value (hereinafter referred to as “ID value” when referring to the ID value itself) is not embedded in a logic circuit or the like of a semiconductor element, but is a non-volatile memory (NVRAM, Non-Volatile Random Access). Or set by cutting a fuse on the semiconductor element.
  • NVRAM Non-Volatile Random Access
  • methods such as a physical attack and a side channel attack on semiconductor elements are progressing year by year, and there is an increased risk that an ID set by a method such as NVRAM or fuse will be decoded or falsified.
  • PUF Physical Unclonable Function
  • a PUF circuit is a circuit that realizes a PUF mechanism, and is different in physical characteristics or electrical characteristics (hereinafter, simply “ The result of measuring “physical characteristics”) is output as an ID value.
  • PUF circuit that uses the difference in physical characteristics of each individual has “non-replication”.
  • the ID value output from the PUF circuit has “unpredictability” in which the value cannot be predicted.
  • a typical PUF there is a technique in which a difference between physical characteristics such as an oscillation frequency of a ring oscillator, a delay time difference of a circuit, and an initial value of a memory immediately after power-on is used as an ID value.
  • Patent Document 1 a difference between physical characteristics such as an oscillation frequency of a ring oscillator, a delay time difference of a circuit, and an initial value of a memory immediately after power-on is used as an ID value.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • Non-Patent Document 2 M.M. Yu, S .; Devadas, "Secure and Robust Error Correction for Physical Unclonable Functions,” IEEE Design and Test of Computers, Vol. 27, no. 1, pp. 48-65.
  • Non-Patent Document 3 An input to the PUF is called a challenge, and an output returned by the PUF in response to the challenge is called a response. From the purpose of using the PUF, responses returned to the same challenge are always required to have the same value for the same individual and different values for different individuals.
  • Non-Patent Document 3 discloses a method for taking measures so that the same response can be obtained with respect to the same challenge by performing error correction.
  • a PUF that uses manufacturing variation of an LSI cannot determine the ID value generated by the PUF unless the LSI manufacturing is completed. Moreover, manufacturing cannot be controlled so that the PUF can generate a specific ID value. For this reason, it is necessary to test whether or not the PUF incorporated in each LSI generates an ID value different from that of all the LSIs manufactured in the past. However, this test requires time for all the LSIs manufactured in the past and of the same type of LSI with the same PUF incorporated therein.
  • the LSI incorporating the PUF cannot be shipped and must be discarded. For this reason, in an LSI in which a PUF is incorporated, the yield deteriorates. A long test time and a deterioration in yield cause an increase in cost. Even if the LSI passes the test after manufacturing, the problem still remains because the PUF uses physical characteristics and electrical characteristics. That is, when an LSI is used after shipment, there is a possibility that a certain PUF generates the same ID value as a PUF of another LSI due to a change in operating conditions such as temperature, that is, individual identification may not be ensured. .
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and provides an identification information generation apparatus and an identification information generation method capable of generating identification information with guaranteed complete individual identification. Objective.
  • the identification information generation apparatus of the present invention is not capable of physical duplication, and has r bits (r is an integer of 2 or more) output from an identification information output unit that outputs the same response to the same response request.
  • An information separation unit for separating an encryption key of k bits (k is an integer of 1 or more) and second identification information of (r ⁇ m) bits (m is an integer of 1 or more) from the identification information of 1; 2 identification information and m-bit third identification information capable of identifying x devices, and an information concatenation unit that outputs the fourth identification information, and the fourth identification information using the encryption key
  • an encryption unit that performs predetermined processing and generates fifth identification information of r bits.
  • identification information generation method of the present invention physical duplication is impossible, and k bits are obtained from the first identification information of r bits output from the identification information output unit that outputs the same response to the same response request. And (r ⁇ m) bits of second identification information are separated, and the second identification information and the third identification information of m bits capable of identifying x devices are concatenated to form a fourth The identification information is output, the fourth identification information is subjected to a predetermined process using an encryption key, and the fifth identification information of r bits is generated.
  • an identification information generation device and an identification information generation method having individual identification it is possible to obtain an identification information generation device and an identification information generation method having individual identification.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the identification information generating apparatus according to the first embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a modified example of the identification information generating device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a second modification of the identification information generating device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of an identification information generation apparatus to which a falsification detection function is added according to the second embodiment of this invention.
  • the identification information generation apparatus 100 of this embodiment includes a PUF unit 101, an error correction unit 102, an information separation unit 103, an identification information storage unit 104, an information connection unit 105, and an encryption unit 106.
  • the PUF unit 101 outputs a PUF output value of r bits (r is an integer of 2 or more) based on predetermined physical characteristics of the PUF unit 101 as a response.
  • r is an integer of 2 or more
  • a PUF circuit disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3 can be used.
  • other PUF circuits may be used.
  • the PUF unit 101 is required to have the same responsiveness.
  • the error correction unit 102 performs error correction on the PUF output value.
  • a technique disclosed in Non-Patent Document 3 can be applied.
  • the PUF output value after the error correction by the error correction unit 102 that is, the same responsiveness is guaranteed is referred to as first identification information.
  • the information separation unit 103 separates the first identification information into two, an encryption key having a k-bit value (k is an integer of 1 or more) and second identification information having (r ⁇ k) bits. In order to generate the second identification information, it is necessary that r> k.
  • the k-bit encryption key separation method only needs to select any k bits in the first identification information of r bits, and is specified as k bits from the upper bits and k bits from the lower bits.
  • the selection method is not limited.
  • the identification information storage unit 104 is a storage unit for an ID value (identification information) of the identification information generation device 100, and outputs k-bit third identification information unique to the identification information generation device 100.
  • the identification information storage unit 104 includes a nonvolatile memory or a fuse.
  • the identification information storage unit 104 is provided to ensure individual identification of the identification information generation device 100.
  • the number of bits of the third identification information is x when the number of target devices to be identified by applying fifth identification information described later, which is the final output of the identification information generating device 100, is x.
  • the information concatenation unit 105 concatenates the (r ⁇ k) -bit second identification information and the k-bit third identification information to generate r-bit fourth identification information.
  • Concatenation here means that two pieces of information are simply combined to generate a value of the total number of bits of each piece of information.
  • the method of combining the two pieces of information is not limited to the simplest method of combining the two pieces of information as upper bits and lower bits, respectively. For example, the order of the upper and lower bits of each information bit may be changed in a complicated manner and then combined as the upper and lower bits.
  • the encryption unit 106 encrypts the r-bit fourth identification information with the k-bit encryption key, and outputs the r-bit fifth identification information as a response of the identification information generating apparatus 100.
  • the identification information generation device 100 of this embodiment includes a PUF unit 101. Therefore, the identification information generating apparatus 100 satisfies the necessary conditions for providing the incapability of copying.
  • the identification information storage unit 104 also stores fixed third identification information. Thus, the necessary conditions for guaranteeing the same responsiveness as the identification information generating apparatus 100 are satisfied. In addition, since the identification information storage unit 104 stores the third identification information unique to the identification information generation device 100, a necessary condition for guaranteeing individual identification is also satisfied. However, the third identification information can also be obtained by a third party by analyzing the identification information storage unit 104. For this reason, the third identification information is not used as it is, but the third identification information is modified by some process to ensure unpredictability.
  • the process to ensure unpredictability also needs to ensure individual identification at the same time, so that different values are not associated with the same value, that is, there is no “collision possibility” Is also required. Therefore, encryption is used as a processing method for ensuring unpredictability.
  • the fourth identification information including the third identification information is encrypted.
  • a part of the first identification information is used for the encryption key used for the above encryption. Since the first identification information is used for the encryption key, the confidentiality of the key is ensured. Further, the part of the first identification information other than the encryption key, that is, the second identification information is connected to the third identification information and used as plain text.
  • the encryption key uses a part of the first identification information generated from the PUF output value, it is not necessarily different for each identification information generating device.
  • the encryption key of the identification information generation device 100 is the same as that of the other identification information generation device, the third identification information is different from that of the other identification information generation device. This is different from that of the identification information generating apparatus. This is because, when the encryption key is the same, the plaintext and the ciphertext are one-to-one mapping due to the nature of the encryption.
  • the encryption key when it becomes the same ciphertext as the ciphertext of the other identification information generating device with a certain probability p.
  • p the number of bits of the encryption key and the plaintext. Therefore, the width of the input space, that is, the number of pieces of information that can be expressed by the combination of the encryption key and the plaintext is 2. ⁇ 256. Since the number of bits of the ciphertext is 128 bits, the size of the output space (the number of information that can be expressed by the ciphertext) is 2 ⁇ 128.
  • the ciphertext of the first block is different, naturally, the entire ciphertext is different from those of other identification information generating apparatuses, so there is no problem. If the ciphertext of the first block is the same, the ciphertext of the next block is also the same as that of other identification information generating devices with a certain probability p. However, the probability that both ciphertexts of the two blocks are the same is p ⁇ 2, and even if ordinary encryption is used, the value is extremely small. In general, when block encryption is performed by dividing information into L blocks (l is an integer equal to or greater than 1), the probability P that the entire ciphertext completely matches becomes extremely small.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the identification information generating apparatus 110 having only the configuration essential for the present embodiment.
  • the identification information generation device 110 is a modification of the identification information generation device 100.
  • the identification information generation device 110 does not include the PUF unit 101, the error correction unit 102, and the identification information storage unit 104 therein.
  • the identification information is input from the outside.
  • the identification information generation device 110 inputs the first identification information and the third identification information generated internally from the outside. Then, the identification information generation apparatus 110 internally processes separation of the first identification information, connection of the second identification information and the third identification information, and encryption of the fourth identification information. Therefore, the identification information generation apparatus 110 also has the same responsiveness, individual identification, and unpredictability. However, unlike the identification information generation device 100, the identification information generation device 110 does not have non-replicaability. In the identification information generating apparatus 110 in FIG. 2, the conditions that the second identification information and the number of bits of the encryption key should satisfy are also relaxed.
  • the k-bit encryption key and the (r ⁇ m) -bit (m is an integer of 1 or more) second identification information are separated in bit units from the r-bit first identification information.
  • r> k + (r ⁇ m) may be used.
  • the first identification information may include a bit that is not separated as either the second identification information or the encryption key. If the same bit in the first identification information is included in both the second identification information and the encryption key, the input space consisting of the equal part and the encryption key becomes narrow. For this reason, it is desirable that the same bit in the first identification information is not included in both the second identification information and the encryption key.
  • the number of bits m of the third identification information is the final output of the identification information generation device 100, where x is the number of target devices to be identified by applying fifth identification information described later. Since it is necessary to assign unique third identification information to each of the x devices, 2 ⁇ m ⁇ x It is necessary to be.
  • the m-bit third identification information is concatenated with the (r ⁇ m) -bit second identification information and becomes r-bit fourth identification information.
  • the identification information generating apparatus 100 ensures the same responsiveness by performing error correction on a PUF output value having unpredictability. Then, using a part of the PUF output value as an encryption key, the identification information unique to the apparatus, that is, having individual identification is encrypted.
  • the identification information generating apparatus 100 has unpredictability, identical responsiveness, and individual identification.
  • the identification information generating apparatus 100 includes a PUF unit, thereby providing non-duplication.
  • the characteristic points of this embodiment are organized and shown below.
  • One of the important features of the present embodiment is that a general PUF that generates a PUF output value using the physical characteristics of an individual and third identification information unique to the individual are used in combination.
  • the third identification information is used for the purpose of guaranteeing at the time of manufacture and shipment that the finally generated fifth identification information is different for each individual.
  • the PUF output value is used for the purpose of guaranteeing the non-replicaability of the output.
  • Other important features of this embodiment include the use of encryption and the use of the first identification information as the encryption key.
  • the number of bits of plaintext and ciphertext is the same, and they can take any value. Therefore, if the bit width of the fourth identification information input to the encryption unit is widened, the identification information generated by different identification information generation devices can be the same, that is, collision can be prevented. In addition, by using the first identification information as an encryption key, even if the third identification information is read by a third party, the inability to copy the output is not impaired.
  • the process performed by the encryption unit 105 is a process of encrypting the fourth identification information corresponding to the plaintext in the encryption using the encryption key. Similar processing is sometimes called “randomization”, “disturbance”, etc., and does not necessarily have to be called “encryption”. FIG.
  • the identification information generation device 120 is different from the identification information generation device 100 in that it includes a fixed information storage unit 107 in addition to the identification information storage unit 104.
  • the fixed information storage unit 107 stores fixed first fixed information that does not depend on individual identification information generation devices.
  • the first fixed information is embedded in, for example, a logic circuit in order to ensure tamper resistance.
  • the first fixed information is concatenated with the second identification information and the third identification information by the information concatenation unit 105, and is encrypted by the encryption unit 106.
  • the identification information generation apparatus of the present invention can have a falsification detection function for identification information.
  • the identification information generation apparatus 200 of this embodiment is provided with a function for detecting whether or not the identification information generation apparatus 120 of the second embodiment shown in FIG. 2 has been tampered with.
  • the identification information generation device 200 includes a second fixed information storage unit 201, a selection unit 202, an inspection value storage unit 203, and a comparison unit 204 in addition to the configuration of the identification information generation device 120 of FIG.
  • the second fixed information storage unit 201 stores second fixed information given as a challenge when tampering is detected, as will be described later.
  • the selection unit 202 selects one of an external challenge and a fixed challenge from the second fixed information storage unit 201 according to a mode setting signal (not shown).
  • the challenge from the outside is a challenge in the normal operation mode in which identification information is generated as an identification information generation device.
  • the challenge from the second fixed information storage unit 201 is a challenge for the falsification detection mode.
  • the inspection value storage unit 203 stores inspection values used in the falsification detection mode.
  • the comparison unit 204 compares the inspection value from the inspection value storage unit 203 with the fifth identification information from the encryption unit 106. The operation of the identification information falsification detection function will be described below. First, an inspection value is set in the inspection value storage unit 203 before the identification information generation device 200 is operated, that is, at the time of inspection before the identification information generation device 200 is shipped.
  • the falsification detection mode is designated by the mode setting signal, and the falsification detection mode from the second fixed information storage unit 201 is set in the selection unit 202. Even when the identification information generating apparatus 200 is operated after shipment, the falsification detection mode is once designated by the mode setting signal before the actual operation is started. At this time, the selection unit 202 selects a fixed challenge for the falsification detection mode from the second fixed information storage unit 201. Then, the comparison unit 204 compares the response at this time with the inspection value recorded in the inspection value storage unit 203.
  • the identification information generation apparatus 200 performs a normal identification information generation operation.
  • the identification information generating apparatus 200 has an effect that it is possible to detect that falsification has been performed in addition to the effects provided in the identification information generating apparatus 110.
  • the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention. In addition, each of the above embodiments can be combined with other embodiments. For example, in the third embodiment of FIG. 4, the first fixed information storage unit 107 is omitted, or the second fixed information storage unit 201, the selection unit 202, the PUF unit 101, and the error correction unit 102 are externally connected. It is possible to make changes such as preparing for the above. While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.

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Abstract

完全な個体識別性が保証された識別情報を生成することができる識別情報生成装置を提供する。本発明の識別情報生成装置は、物理的複製が不可能で、同じ応答要求に対して同一の応答出力を行う識別情報出力部から出力された、ｒビット（ｒは２以上の整数）の第１の識別情報から、ｋビット（ｋは１以上の整数）の暗号化鍵及び（ｒ－ｍ）ビット（ｍは１以上の整数）の第２の識別情報を分離する情報分離部と、第２の識別情報とｘ台の装置を識別可能なｍビットの第３の識別情報を連接し、第４の識別情報を出力する情報連接部と、暗号化鍵を用いて第４の識別情報に所定の処理を施し、ｒビットの第５の識別情報を生成する暗号化部とを備える。

Description

識別情報生成装置及び識別情報生成方法
　本発明は、個体を識別することができる識別情報を生成する識別情報生成装置及び識別情報生成方法に関する。
　近年、モバイル機器やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）カードなどの機器において、偽造や情報漏洩などを防ぐためのセキュリティが重要になってきている。このとき、個々の機器にＩＤ（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｄａｔａ。識別情報）を付与し、そのＩＤを機器認証や暗号化などのセキュリティ処理で利用することが多い。このようなセキュリティ処理により、ある機器のセキュリティが破られても、その影響が他機器へ連鎖することを防止する等の効果を得ることができる。
　通常、個体によって異なるＩＤを生成する機構は、安全性の観点から、ソフトウェアではなくハードウェアによって実現される。ハードウェアとしては、例えばＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　ＩＣ）等の半導体素子が用いられる。この場合、個々の半導体素子ごとに製造マスクを変えることは、現実的ではない。そのため、ＩＤの値（以降、ＩＤの数値自体を意味するときは、「ＩＤ値」という。）は、半導体素子の論理回路等に埋め込まれるのではなく、不揮発メモリ（ＮＶＲＡＭ。Ｎｏｎ−Ｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）に書き込まれたり、半導体素子上のヒューズを切ることによって設定されたりする。
　一方、半導体素子に対する、物理的攻撃やサイドチャネル攻撃等の手法は年々進歩しており、ＮＶＲＡＭやヒューズなどの手法で設定されたＩＤが解読されたり改竄されたりする危険性が高まっている。
　このような危険に対応するために、物理的複製不可能関数（以降、「ＰＵＦ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｕｎｃｌｏｎａｂｌｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）という。）と呼ばれる、改竄が困難な、すなわち、耐タンパ性に優れたＩＤ生成機構が用いられることがある。ＰＵＦ回路は、ＰＵＦの機構を実現する回路であり、例えばＬＳＩの製造ばらつきで生じる回路の速度差など、ＬＳＩの個体ごとに異なる物理的特性又は電気的特性（以降、単に「物理的特性」という。）を測定した結果を、ＩＤ値として出力する。
　一般に、完全に同一の物理的特性を備えた装置を複製することは不可能である。従って、個体ごとの物理的特性の差を利用するＰＵＦ回路は、「複製不能性」を備える。また、個体ごとの物理的特性値を正確に予測することも不可能である。従って、ＰＵＦ回路が出力するＩＤ値は、値の予測が不可能な「予測不能性」を備える。
　典型的なＰＵＦとして、リングオッシレータの発振周波数、回路の遅延時間差、電源投入直後のメモリの初期値などの物理的特性の個体間の違いをＩＤ値として利用する手法が、特開２０１１−１２３９０９（以降、「特許文献１」という。）やＧ．Ｅｄｗａｒｄ　Ｓｕｈ，Ｓ．Ｄｅｖａｄａｓ，″Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｕｎｃｌｏｎａｂｌｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｅｃｒｅｔ　Ｋｅｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，″ＤＡＣ　２００７，ｐｐ．９−１４（以降、「非特許文献１」という。）、Ｓ．Ｅｉｒｏａ，Ｉ．Ｂａｔｕｒｏｎｅ，″Ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄｏｎ　ＰＵＦｓ　ａｎｄ　ＳＨＡ−３　２ｎｄ　ｒｏｕｎｄ　ｃａｎｄｉｄａｔｅｓ，″ＩＣＭ　２０１０，ｐｐ．３１９−３２２（以降、「非特許文献２」という。）、Ｍ．Ｙｕ，Ｓ．Ｄｅｖａｄａｓ，″Ｓｅｃｕｒｅ　ａｎｄ　Ｒｏｂｕｓｔ　Ｅｒｒｏｒ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｕｎｃｌｏｎａｂｌｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，″ＩＥＥＥ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１，ｐｐ．４８−６５．（以降、「非特許文献３」という。）に開示されている。
　ＰＵＦへの入力はチャレンジ（Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）と呼ばれ、チャレンジに対するＰＵＦが返す出力はレスポンス（Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）と呼ばれる。ＰＵＦの利用目的から、同じチャレンジに対して返るレスポンスには、同じ個体については常に同じ値となり、違う個体同士では必ず異なる値になることが求められる。
　以降、「同じチャレンジに対して常に同じレスポンスが得られること」を「同一応答性」といい、同じチャレンジに対して、違う個体同士では必ず異なるレスポンスが得られること」を、「個体識別性」という。
　ところが、現実のＰＵＦにおいては、同じ個体に同じチャレンジを投入しても、チャレンジの投入ごとに異なる値が返るという現象が発生することがある。すなわち、現実のＰＵＦは、必ずしも同一応答性を備えない。そこで、エラー訂正を行うことにより、同じチャレンジに対して同じレスポンスが得られるように対策する方法が非特許文献３に開示されている。
　ＬＳＩ製造時に不揮発メモリやヒューズにＩＤ値を設定する方法と異なり、ＬＳＩの製造ばらつきを利用するＰＵＦにおいては、ＬＳＩの製造が完了しないとＰＵＦが生成するＩＤ値が判明しない。しかも、ＰＵＦが特定のＩＤ値を生成できるように、製造を制御することもできない。
　このため、個々のＬＳＩに組み込まれたＰＵＦが、過去に製造した全てのＬＳＩとは異なるＩＤ値を生成するかどうかを、ＬＳＩの製造後にテストしなければならない。ところが、このテストは、過去に製造した、同じＰＵＦが組み込まれた同じ種類のＬＳＩの全てを対象にしなければならないため、テストには時間を要する。もし同じＩＤ値を生成するＰＵＦが発見された場合は、そのＰＵＦが組み込まれたＬＳＩは出荷することができないため、廃棄しなければならない。そのため、ＰＵＦが組み込まれたＬＳＩでは、歩留まりが悪化する。そして、長いテスト時間や歩留まりの悪化は、コストアップの原因となる。また、ＬＳＩが製造後のテストを通過したとしても、ＰＵＦが物理的特性や電気的特性を利用していることから、依然として課題は残る。すなわち、出荷後のＬＳＩの利用時において、温度等の動作条件の変化により、あるＰＵＦが他のＬＳＩのＰＵＦと同じＩＤ値を生成する可能性、すなわち、個体識別性が確保できない可能性がある。
　以上のように、ＰＵＦの出力値の個体識別性を向上させるように、設計や製造手法を改善する技術が開示されている。しかし、それらの技術は、ＰＵＦの出力値が個体識別性を備える確率を向上させるだけであって、ＰＵＦの出力値が完全な個体識別性、すなわち、常に同じチャレンジに対して、他の個体のＰＵＦとは異なるレスポンスを行うことを保証できるまでには至らない。重要情報を扱うクリティカルな用途に使う場合や、大量生産するデバイスに搭載する場合は、完全な個体識別性の保証が必要である。
　このように、ＰＵＦ等の識別情報生成装置には、完全な個体識別性の保証が求められる。さらに、識別情報生成装置の個体識別性は、製造出荷後の経年変化や環境変化のもとでも保証されなければならない。
（発明の目的）
　本発明は上記のような技術的課題に鑑みて行われたもので、完全な個体識別性が保証された識別情報を生成することができる識別情報生成装置及び識別情報生成方法を提供することを目的とする。
　本発明の識別情報生成装置は、物理的複製が不可能で、同じ応答要求に対して同一の応答出力を行う識別情報出力部から出力された、ｒビット（ｒは２以上の整数）の第１の識別情報から、ｋビット（ｋは１以上の整数）の暗号化鍵及び（ｒ−ｍ）ビット（ｍは１以上の整数）の第２の識別情報を分離する情報分離部と、第２の識別情報とｘ台の装置を識別可能なｍビットの第３の識別情報を連接し、第４の識別情報を出力する情報連接部と、暗号化鍵を用いて第４の識別情報に所定の処理を施し、ｒビットの第５の識別情報を生成する暗号化部とを備えることを特徴とする。
　本発明の識別情報生成方法は、物理的複製が不可能で、同じ応答要求に対して同一の応答出力を行う識別情報出力部から出力された、ｒビットの第１の識別情報から、ｋビットの暗号化鍵及び（ｒ−ｍ）ビットの第２の識別情報を分離し、第２の識別情報とｘ台の装置を識別可能なｍビットの第３の識別情報を連接して第４の識別情報を出力し、暗号化鍵を用いて第４の識別情報に所定の処理を施し、ｒビットの第５の識別情報を生成することを特徴とする。
　本発明によれば、個体識別性を備える識別情報生成装置及び識別情報生成方法を得ることができる。
　図１は、本発明の第１の実施の形態の識別情報生成装置の構成を示すブロック図である。
　図２は、第１の実施の形態の識別情報生成装置の変形例の構成を示すブロック図である。
　図３は、第１の実施の形態の識別情報生成装置の第２の変形例の構成を示すブロック図である。
　図４は、本発明の第２の実施の形態の、改竄検出機能が付加された識別情報生成装置の構成を示すブロック図である。
（第１の実施形態）
　図１を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態の識別情報生成装置１００は、ＰＵＦ部１０１、エラー訂正部１０２、情報分離部１０３、識別情報記憶部１０４、情報連接部１０５、暗号化部１０６を備える。
　ＰＵＦ部１０１は、外部からのチャレンジに対して、レスポンスとして、ＰＵＦ部１０１の所定の物理的特性に基づくｒビット（ｒは２以上の整数）のＰＵＦ出力値を出力する。ＰＵＦ部１０１には、例えば特許文献１や非特許文献１乃至３に開示されているＰＵＦ回路を使用することができる。あるいは、それら以外のＰＵＦ回路を用いてもよい。
　上述のように、ＰＵＦ部１０１には同一応答性が求められる。そのため、ＰＵＦ出力値には、エラー訂正部１０２によるエラー訂正が施される。エラー訂正部１０２によるエラー訂正は、例えば非特許文献３に開示されている技術を適用することができる。以降、エラー訂正部１０２によるエラー訂正が施された後の、すなわち、同一応答性が保証されたＰＵＦ出力値を、第１の識別情報という。
　情報分離部１０３は、第１の識別情報を、ｋビット値（ｋは１以上の整数）の暗号化鍵と、（ｒ−ｋ）ビットの第２の識別情報の二つに分離する。なお、第２の識別情報を生成するために、ｒ＞ｋであることが必要である。
　ｋビットの暗号化鍵の分離方法は、ｒビットの第１の識別情報中の任意のｋビットを選択するものであればよく、上位ビットからｋビット、下位ビットからｋビットのように、特定の選択方法には限定されない。
　識別情報記憶部１０４は、識別情報生成装置１００のＩＤ値（識別情報）の記憶部であり、識別情報生成装置１００に固有のｋビットの第３の識別情報を出力する。識別情報記憶部１０４は、不揮発メモリもしくはヒューズなどで構成される。識別情報記憶部１０４は、識別情報生成装置１００の個体識別性を確保するために備えられる。
　なお、第３の識別情報のビット数は、識別情報生成装置１００の最終の出力である、後述の第５の識別情報を適用して識別される対象の装置の台数をｘとするとき、ｘ台の装置の各々に固有の第３の識別情報を割り当てる必要があることから、
　２＾ｋ≧ｘ
であることが必要である。
　情報連接部１０５は、（ｒ−ｋ）ビットの第２の識別情報とｋビットの第３の識別情報を連接し、ｒビットの第４の識別情報を生成する。
　ここでの「連接」とは、２つの情報を単純に組み合わせ、各々の情報のビット数の合計のビット数の値を生成することを意味する。２つの情報の組み合わせ方は、２つの情報をそれぞれ上位ビット、下位ビットとして結合するといった、最も単純な方法には限定されない。例えば、各情報のビットの上位、下位の順序を複雑に入れ替えた後、上位ビットと下位ビットとして結合してもよい。あるいは、２つの情報を単純に上位ビットと下位ビットとして結合した後、ビットの順序を入れ替えてもよい。
　暗号化部１０６は、ｒビットの第４の識別情報を、ｋビットの暗号化鍵で暗号化し、ｒビットの第５の識別情報を識別情報生成装置１００のレスポンスとして出力する。
　次に、本実施形態の識別情報生成装置１００としての最終の出力である第５の識別情報が、複製不能性、同一応答性、個体識別性、及び予測不能性が確保されたものとなる原理を説明する。
　本実施形態の識別情報生成装置１００は、ＰＵＦ部１０１を備える。従って、識別情報生成装置１００は、複製不能性を備えるための必要条件は満たされる。
　さらにＰＵＦ部１０１の出力値にエラー訂正を施すエラー訂正部１０２を備える。識別情報記憶部１０４も固定の第３の識別情報を記憶する。以上により、識別情報生成装置１００としての同一応答性を保証するための必要条件は満たされる。
　また、識別情報記憶部１０４が、識別情報生成装置１００に固有の第３の識別情報を記憶することによって、個体識別性を保証するための必要条件も満たされる。
　ただし、第３の識別情報は、識別情報記憶部１０４を解析することによって、第三者にも取得可能である。そのため、第３の識別情報をそのまま使用するのではなく、何らかの処理により第３の識別情報を改変することによって、予測不能性を確保する。
　予測不能性を確保するための処理には、同時に個体識別性を確保することも必要であるため、異なる値が同一値に対応付けられることがない性質、すなわち、「衝突可能性」がないことも求められる。そのため、予測不能性を確保するための処理方法として、暗号化が用いられる。具体的には、第３の識別情報を内部に含ませた第４の識別情報に暗号化を施す。
　上記の暗号化に使用する暗号化鍵には、第１の識別情報の一部を用いる。暗号化鍵に第１の識別情報が用いられるため、鍵の秘匿性が確保される。
　また、第１の識別情報の暗号化鍵以外の部分、すなわち、第２の識別情報は第３の識別情報と連接され、平文として使用される。第１の識別情報に含まれている第２の識別情報と第３の識別情報とが連接された情報（第４の識別情報）が平文として用いられるため、第５の識別情報の個体識別性が保証される。
　ところで、上記の暗号化鍵は、ＰＵＦ出力値から生成された第１の識別情報の一部を使用するため、必ずしも識別情報生成装置ごとに異なるとは限らない。
　識別情報生成装置１００の暗号化鍵が他の識別情報生成装置のものと同じである場合、第３の識別情報が他の識別情報生成装置のものと異なるため、第５の識別情報は必ず他の識別情報生成装置のものとは異なる。なぜなら、暗号化鍵が同じである場合、暗号の性質から、平文と暗号文が一対一写像となるからである。
　次に、暗号化鍵が他の識別情報生成装置のものと異なる場合、ある一定の確率ｐで、他の識別情報生成装置の暗号文と同じ暗号文になる。例えば、ＡＥＳ−１２８を使用した場合、暗号化鍵、平文のビット数がそれぞれ１２８ビットであるから、入力空間の広さ、すなわち、暗号化鍵と平文の組み合わせによって表現可能な情報の個数は２＾２５６である。暗号文のビット数は１２８ビットであるから、出力空間の広さ（暗号文によって表現可能な情報の個数）は２＾１２８である。つまり、同じ平文を異なる暗号化鍵で暗号化したときに、同じ暗号文が生成される暗号化鍵と平文の組み合わせのパターンは２＾１２８通りある。従って、確率ｐは、暗号化鍵の選定によるが、暗号化方式としてＡＥＳ−１２８を使用した場合、確率ｐ＝２＾１２８分の１（＝３×１０＾（−３９））で、暗号文が同じになる。しかし、この確率ｐは極めて小さいため、通常の用途では、実質的に０とみなすことができる。従って、本識別情報生成装置１００の出力である第５の識別情報は、実質的に、完全な個体識別性を備えるということができる。
　暗号化方式として、複数のブロックを対象としたブロック暗号化を用いる場合には、さらに、暗号文全体が完全に一致する確率を小さくすることができる。
　まず、最初のブロックの暗号文が異なっていれば、当然、暗号文全体は他の識別情報生成装置のものと異なるものになるため、問題はない。
　最初のブロックの暗号文が同じであれば、次のブロックの暗号文もまたある一定の確率ｐで他の識別情報生成装置のものと同じになる。しかし、２つのブロックの暗号文が両方とも同じである確率はｐ＾２であり、通常の暗号化を用いたとしても、極めて小さい値になる。
　一般に、情報をＬ個（ｌは１以上の整数）のブロックに分割してブロック暗号化を行った場合には、暗号文全体が完全に一致する確率Ｐは極めて小さくなる。具体的には、ｒビットの第４の識別情報を、ｒ＝ｂＬ（ｂは１以上の整数）を満たすｂビットのブロックに分割し、ブロック暗号化を行う。この場合、確率Ｐは、例えば、暗号化方式としてＡＥＳ−１２８を使用した場合は、Ｐ＝ｐ＾ｎ＝（２＾１２８）＾ｎ分の１となり、事実上０とみなすことができる。
　図２は、本実施形態に必須の構成のみを備える、識別情報生成装置１１０の構成を示すブロック図である。識別情報生成装置１１０は、識別情報生成装置１００の１つの変形例であり、ＰＵＦ部１０１、エラー訂正部１０２、及び識別情報記憶部１０４を内部に備えずに、第１の識別情報、第３の識別情報を外部から入力する。このように、識別情報生成装置１００の場合は内部で生成される第１の識別情報、第３の識別情報を、識別情報生成装置１１０は外部から入力する。そして、識別情報生成装置１１０は、第１の識別情報の分離、第２の識別情報と第３の識別情報との連接、第４の識別情報の暗号化を内部で処理する。
　従って、識別情報生成装置１１０も、同一応答性、個体識別性、及び予測不能性を備える。ただし、識別情報生成装置１１０は、識別情報生成装置１００とは異なり、複製不能性は備えない。
　なお、図２の識別情報生成装置１１０では、第２の識別情報及び暗号化鍵のビット数が満たすべき条件も緩和されている。すなわち、ｒビットの第１の識別情報から、ｋビットの暗号化鍵及び（ｒ−ｍ）ビット（ｍは１以上の整数）の第２の識別情報を、ビット単位で分離する。
　ここで、ｒ＞ｋ＋（ｒ−ｍ）でもよい。つまり、第１の識別情報の中に、第２の識別情報、暗号化鍵のいずれとしても分離されないビットが含まれてもよい。
　第１の識別情報の中の同じビットが第２の識別情報、暗号化鍵の両方に含まれると、平分と暗号化鍵からなる入力空間が狭くなる。そのため、第１の識別情報の中の同じビットが、第２の識別情報、暗号化鍵の両方に含まれることがないことが望ましい。
　また、第３の識別情報のビット数ｍは、識別情報生成装置１００の最終の出力である、後述の第５の識別情報を適用して識別される対象の装置の台数をｘとするとき、ｘ台の装置の各々に固有の第３の識別情報を割り当てる必要があることから、
　２＾ｍ≧ｘ
であることが必要である。
　ｍビットの第３の識別情報は、（ｒ−ｍ）ビットの第２の識別情報と連接され、ｒビットの第４の識別情報となる。
　以上のように、本実施形態の識別情報生成装置１００は、予測不能性を備えるＰＵＦ出力値に誤り訂正を施すことにより同一応答性を確保する。そして、ＰＵＦ出力値の一部を暗号化鍵として、装置に固有の、すなわち、個体識別性を備える識別情報を暗号化する。従って、識別情報生成装置１００は、予測不能性、同一応答性及び個体識別性を備える。また、識別情報生成装置１００は、ＰＵＦ部を備えることにより、複製不能性も備える。
　以下に、本実施形態の特徴点を整理して示す。本実施形態の重要な特徴の一つとして、個体の物理的特性を利用してＰＵＦ出力値を生成する一般的なＰＵＦと、個体に固有の第３の識別情報を併用する点が挙げられる。第３の識別情報は、最終的に生成される第５の識別情報が個体ごとに異なることを製造出荷時に保証することを目的として使用される。ＰＵＦ出力値は、出力の複製不可能性を保証することを目的として使用される。
　本実施形態の他の重要な特徴として、暗号化を用いる点と、暗号化鍵として第１の識別情報を使用する点が挙げられる。ハッシュ関数でなく暗号化を使用することにより、平文と暗号文のビット数は同じでしかもそれらは任意の値を取ることができる。そのため、暗号化部に投入する第４の識別情報のビット幅を広げれば、異なる識別情報生成装置が生成した識別情報が同じになること、すなわち、衝突を防止することができる。また、第１の識別情報を暗号化鍵として使うことにより、万一第３の識別情報が第三者に読み取られた場合でも、出力の複製不可能性は損なわれない。
　なお、暗号化部１０５で行われる処理は、暗号化における平文に該当する第４の識別情報を、暗号化鍵を用いて暗号化する処理である。同様の処理は、「乱数化」、「かく乱」等と呼ばれることがあり、必ずしも「暗号化」という名称で呼ばれるものである必要はない。
　また、図３は、図１の識別情報生成装置１００よりもさらに安全性を高めた識別情報生成装置１２０のブロック図である。識別情報生成装置１２０は、識別情報記憶部１０４に加え、固定情報記憶部１０７を備える点で、識別情報生成装置１００と異なる。固定情報記憶部１０７は、個々の識別情報生成装置には依らない固定の第１の固定情報を記憶する。第１の固定情報は、耐タンパ性を確保するために、例えば論理回路中に埋め込まれる。そして、第１の固定情報は、情報連接部１０５によって、第２の識別情報、第３の識別情報と連接され、暗号化部１０６で暗号化される。
（第２の実施の形態）
　本発明の識別情報生成装置は、識別情報の改竄検出機能を備えることができる。図４は、第２の実施の形態の識別情報生成装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の識別情報生成装置２００は、図２に示した第２の実施の形態の識別情報生成装置１２０に対する改竄の有無を検出する機能が付加されたものである。
　識別情報生成装置２００は、図２の識別情報生成装置１２０の構成に加え、第２の固定情報記憶部２０１、選択部２０２、検査値記憶部２０３、比較部２０４を備える。
　第２の固定情報記憶部２０１は、後述のように、改竄検出時にチャレンジとして与えられる第２の固定情報を記憶する。
　選択部２０２は、外部からのチャレンジ、又は第２の固定情報記憶部２０１からの固定のチャレンジの一方を、モード設定信号（図示なし）に従って選択する。外部からのチャレンジは、識別情報生成装置として識別情報を生成する、通常動作モード時のチャレンジである。第２の固定情報記憶部２０１からのチャレンジは、改竄検出モード用のチャレンジである。
　検査値記憶部２０３は、改竄検出モード時に使用される検査値を記憶する。
　比較部２０４は、検査値記憶部２０３からの検査値と、暗号化部１０６からの第５の識別情報を比較する。
　以下に、識別情報の改竄検出機能の動作について説明する。まず、識別情報生成装置２００が運用される前、すなわち、識別情報生成装置２００の出荷前の検査時等に、検査値記憶部２０３に検査値が設定される。そのために、モード設定信号で改竄検出モードを指定し、選択部２０２に、第２の固定情報記憶部２０１からの改竄検出モードる。
　出荷後の識別情報生成装置２００運用時にも、実際の運用を開始する前に、モード設定信号で一旦、改竄検出モードが指定される。このとき、選択部２０２は、第２の固定情報記憶部２０１からの改竄検出モード用の固定のチャレンジを選択する。そして、このときのレスポンスと検査値記憶部２０３に記録されている検査値とが、比較部２０４で比較される。
　識別情報記憶部１０４の記憶値である第３の識別情報、又は検査値記憶部２０３に記録されている検査値のいずれか一方でも改竄された場合、比較値２０２への２つの入力は一致しないので、改竄があったことを検出することができる。
　改竄検出モードで改竄の有無を検査した後は、モード設定信号で通常動作モードが指定され、選択部２０２は外部からのチャレンジを選択する。そして、その後は、識別情報生成装置２００は通常の識別情報生成動作を行う。
　上述のように、本実施の形態の識別情報生成装置２００には、識別情報生成装置１１０が備える効果に加え、改竄が行われたことを検出できるという効果がある。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記に応じて限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、以上の実施形態は各々他の実施形態と組み合わせることができる。例えば、図４の第３の実施の形態において、第１の固定情報記憶部１０７を省いたり、あるいは、第２の固定情報記憶部２０１、選択部２０２、ＰＵＦ部１０１、エラー訂正部１０２を外部に備える等の変更も可能である。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１１年１２月１３日に出願された日本出願特願２０１１−２７２４４７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１００、１１０、１２０、２００　識別情報生成装置
　１０１　ＰＵＦ部
　１００、１１０、１２０、２００　識別情報生成装置
　１０１　ＰＵＦ部
　１０２　エラー訂正部
　１０３　情報分離部
　１０４　識別情報記憶部
　１０５　情報連接部
　１０６　暗号化部
　１０７　第１の固定情報記憶部
　２０１　第２の固定情報記憶部
　２０２　選択部
　２０３　検査値記憶部
　２０４　比較部

Claims (8)

  1. 　物理的複製が不可能で、同じ応答要求に対して同一の応答出力を行う識別情報出力部から出力された、ｒビット（ｒは２以上の整数）の第１の識別情報から、ｋビット（ｋは１以上の整数）の暗号化鍵及び（ｒ−ｍ）ビット（ｍは１以上の整数）の第２の識別情報を分離する情報分離部と、
    　前記第２の識別情報とｘ台の装置を識別可能なｍビットの第３の識別情報を連接し、第４の識別情報を出力する情報連接部と、
    　前記暗号化鍵を用いて前記第４の識別情報に所定の処理を施し、ｒビットの第５の識別情報を生成する暗号化部と
    を備えることを特徴とする識別情報生成装置。
  2. 　２＾ｍ≧ｘ、かつ、
    　ｍ＝ｋ、かつ、
    　ｒ≧２ｍ
    であることを特徴とする請求項１に記載の識別情報生成装置。
  3. 　前記第３の識別情報を記憶する識別情報記憶部を備える
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の識別情報生成装置。
  4. 　物理的複製が不可能で前記応答要求に対して所定の物理的特性情報を出力する特性情報生成部と、前記物理的特性情報に所定の演算を施し、前記第１の識別情報を出力する特性情報処理部を含む前記識別情報出力部を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の識別情報生成装置。
  5. 　第２の固定情報を記憶する第２の固定情報記憶部と、
    　前記応答要求として、外部からの外部チャレンジ入力又は前記第２の固定情報を選択する選択部と、
    　前記第２の固定情報を前記応答要求としたときの前記第５の識別情報を検査値として記憶する検査値記憶部と、
    　前記外部チャレンジ入力を前記応答要求としたときの前記第５の識別情報と、前記検査値とを比較する比較部
    を備えることを特徴とする請求項４記載の識別情報生成装置。
  6. 　前記情報連接部は、前記第２の識別情報、ｍビットの前記第３の識別情報に代えてｎビット（ｎは１以上の整数）の前記第３の識別情報、及び（ｋ−ｎ）ビットの第１の固定情報を連接し、前記第４の識別情報を出力する
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の識別情報生成装置。
  7. 　前記第１の固定情報を記憶する第１の固定情報記憶部を備える
    ことを特徴とする請求項６に記載の識別情報生成装置。
  8. 　物理的複製が不可能で、同じ応答要求に対して同一の応答出力を行う識別情報出力部から出力された、ｒビットの第１の識別情報から、ｋビットの暗号化鍵及び（ｒ−ｍ）ビットの第２の識別情報を分離し、
    　前記第２の識別情報とｘ台の装置を識別可能なｍビットの第３の識別情報を連接して第４の識別情報を出力し、
    　前記暗号化鍵を用いて前記第４の識別情報に所定の処理を施し、ｒビットの第５の識別情報を生成する
    ことを特徴とする識別情報生成方法。
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