[論文レビュー] Detecting Recycled Commodity SoCs: Exploiting Aging-Induced SRAM PUF Unreliability

Yansong Gao, Hua Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、SRAM PUF（パワーオン時のSRAMセルの状態から得られるハードウェアファングプリント）に起因する老化に起因する不安定性を活用することで、設計変更なしにコストフリーで再利用されたコンmodity SoC（System-on-Chip）を検出する手法を提案する。老化感受性の高いSRAM PUF応答（ASR）を選択することで、1,000未満の応答で偽受容率および偽拒否率が0.001未塔に抑えられ、現場で経年したSoCの信頼性ある検出が可能となる。

ABSTRACT

A physical unclonable function (PUF), analogous to a human fingerprint, has gained an enormous amount of attention from both academia and industry. SRAM PUF is among one of the popular silicon PUF constructions that exploits random initial power-up states from SRAM cells to extract hardware intrinsic secrets for identification and key generation applications. The advantage of SRAM PUFs is that they are widely embedded into commodity devices, thus such a PUF is obtained without a custom design and virtually free of implementation costs. A phenomenon known as `aging' alters the consistent reproducibility---reliability---of responses that can be extracted from a readout of a set of SRAM PUF cells. Similar to how a PUF exploits undesirable manufacturing randomness for generating a hardware intrinsic fingerprint, SRAM PUF unreliability induced by aging can be exploited to detect recycled commodity devices requiring no additional cost to the device. In this context, the SRAM PUF itself acts as an aging sensor by exploiting responses sensitive to aging. We use SRAMs available in pervasively deployed commercial off-the-shelf micro-controllers for experimental validations, which complements recent work demonstrated in FPGA platforms, and we present a simplified detection methodology along experimental results. We show that less than 1,000 SRAM responses are adequate to guarantee that both false acceptance rate and false rejection rate are no more than 0.001.

研究の動機と目的

• グローバルサプライチェーンにおける再利用および改ざんされた偽造ICの増加する脅威に対処すること。これらは報告された偽造品の80％以上を占める。
• 既存のSRAM PUFの機能を認証および鍵生成の範囲から拡張し、再利用されたデバイスの老化に基づく検出を可能とすること。
• 追加のハードウェアコストや設計変更なしに、既に市販のマイコンターゲットに内蔵されている広く普及したSRAM PUFを活用して、再利用されたコンmodity SoCの検出を可能とすること。
• 最小限の応答ビット長で検出精度を最大化するように、老化感受性の高いPUF応答（ASR）を系統的に選択する簡素化された手法を構築すること。
• 実際のマイコンを用いて実験的に検証し、さまざまな老化条件下でも高い信頼性を示すことを目的とする。

提案手法

• 老化に起因する信頼性低下に対して高い感受性を示すSRAM PUF応答（老化感受性応答：ASR）を同定・選択する。
• SRAMセルの自然な老化プロセスに起因するパワーオン状態の一貫性の変化を活用し、組み込みの老化センサーとしての機能を実現する。
• デバイス間およびデバイス内応答差（Δp_interA および Δp_intraA）の統計的分析を用いて老化効果を定量化し、検出のしきい値を決定する。
• 老化感受性の高いASRを優先的に選択する簡素化された選択戦略を提案し、信頼性ある検出に必要な応答ビット数を削減する。
• 検出プロセスはリソース豊富な検証者によって実施され、テスト対象デバイスのSRAM PUF応答を、事前に確認済みの良好なデバイスからの基準応答と照合する。
• ASRを、老化に起因する分散が十分に高いものとして選択することで、偽受容率（FAR）および偽拒否率（FRR）を低く保ち、複数の老化期間にわたる性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市販のSRAM PUFにおける老化に起因する不安定性を、追加のハードウェアを要せず信頼性高く再利用されたSoCの検出に活用できるか？
• RQ2 偽受容率（FAR）および偽拒否率（FRR）を0.001未塔に抑えるために、必要なSRAM PUF応答ビット数の最小値は何か？
• RQ3 老化期間が延長するにつれて検出精度はどのように向上するか？また、信頼性ある検出に十分な老化期間はどの程度か？
• RQ4 簡素化されたASR選択手法は、応答ビット数を削減しつつも高い検出精度を維持できるか？
• RQ5 既存の市販マイコンを設計変更なしに、この検出手法の実装にどの程度活用できるか？

主な発見

• 1,000未満のSRAM PUF応答を用いることで、偽受容率（FAR）および偽拒否率（FRR）ともに0.001未塔に抑えられ、高い検出信頼性を達成した。
• 老化期間数（N）を3から9に増加させた場合、必要な応答ビット数（n）は63％以上削減された。これはASR選択の有効性を示している。
• 9日間の現場での老化（加速老化で49.6日分に相当）により、EER < 10^-4を達成し、FARおよびFRRが10^-4未塔に抑えられた。840ビットの応答ビットで実現した。
• より長い老化期間（例：49.6日）では、同じ検出精度を維持しながら必要なASR数が減少し、時間の経過とともに検出可能性が向上することが示された。
• すべての計算が検証者にオフロードされるため、デバイス側には追加コストが発生せず、設計変更や追加ハードウェアが不要である。
• 実験結果により、老化期間が延長するにつれて検出精度が向上することが確認され、選択されたSRAM PUF応答の老化感受性が裏付けられた。