[論文レビュー] Highly-Secure Physically Unclonable Cryptographic Primitives Using Nonlinear Conductance and Analog State Tuning in Memristive Crossbar Arrays

Hussein Nili, Gina C. Adam+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非線形I-V特性とアナログコンダクタンスチューニングを備えた3次元メモリスティブクロスバー配列を用いて、非常に安全で再構成可能な物理的クローン不能関数（PUF）プリミティブを提案する。250-nm半ピッチメモリスティブ素子におけるプロセスに起因するばらつきを活用することで、プロトタイプはほぼ理想に近い均一性（50% ± 5%）と拡散性を達成し、電源電圧の変動下でも30日間で約1.5%の低ビット誤り率を示した。これにより、10^19組を超える一意のチャレンジ・レスポンスペアが実現可能となった。

ABSTRACT

The rapidly expanding hardware-intrinsic security primitives are aimed at addressing significant security challenges of a massively interconnected world in the age of information technology. The main idea of such primitives is to employ instance-specific process-induced variations in electronic hardware as a source of cryptographic data. Among the emergent technologies, memristive devices provide unique opportunities for security applications due to the underlying stochasticity in their operation. Herein, we report a prototype of a robust, dense, and reconfigurable physical unclonable function primitives based on the three-dimensional passive metal-oxide memristive crossbar circuits, by making positive use of process-induced variations in the devices' nonlinear I-Vs and their analog tuning. We first characterize security metrics for a basic building block of the security primitives based on a two layer stack with monolithically integrated 10x10 250-nm half-pitch memristive crossbar circuits. The experimental results show that the average uniformity and diffusivity, measured on a random sample of 6,000 64-bit responses, out of ~697,000 total, is close to ideal 50% with 5% standard deviation for both metrics. The uniqueness, which was evaluated on a smaller sample by readjusting conductances of crosspoint devices within the same crossbar, is also close to the ideal 50% +/- 1%, while the smallest bit error rate, i.e. reciprocal of reliability, measured over 30-day window under +/-20% power supply variations, was ~ 1.5% +/- 1%. We then utilize multiple instances of the basic block to demonstrate physically unclonable functional primitive with 10-bit hidden challenge generation that encodes more than 10^19 challenge response pairs and has comparable uniformity, diffusiveness, and bit error rate.

研究の動機と目的

• 相互接続されたシステムにおける強力なセキュリティを実現するため、内在するハードウェアばらつきを活用した物理的クローン不能関数（PUF）プリミティブの開発。
• メモリスティブデバイスの確率的挙動を活用して、一意で予測不能な暗号的レスポンスを生成すること。
• 密な再構成可能なアーキテクチャにおいて、均一性、拡散性、信頼性の高い性能を示すPUFの実証。
• 基本的なPUFブロックを大規模な機能的プリミティブへスケーリングし、隠れたチャレンジ生成と膨大なCRP空間を実現すること。

提案手法

• 10×10の250-nm半ピッチレイアウトを有する3次元パassive金属酸化物メモリスティブクロスバー配列の設計およびプロセス。
• クロスポイントメモリスティブ素子の非線形I-V特性に起因するプロセスばらつきを、ランダムネスの源として活用。
• アナログコンダクタンスチューニングの実装により、PUFの状態を再構成可能とし、再利用性を実現。
• 複数のスタックされた2層クロスバー・ブロックを用いて、高エントロピーな10ビットの隠れたチャレンジジェネレータを構築。
• 環境変動下における均一性、拡散性、ビット誤り率といったセキュリティ指標の特性評価。
• 同一クロスバー内でのコンダクタンスの再チューニングによる独自性の評価と、レスポンスの分散を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形I-V特性を有するメモリスティブクロスバー配列は、ほぼ理想に近い均一性と拡散性を持つPUFレスポンスを生成できるか？
• RQ2 アナログコンダクタンスチューニングは、PUFのセキュリティ特性を保持しつつ、どれほど再構成性を実現できるか？
• RQ3 長期間にわたり電源電圧の変動がある条件下でも、システムは低ビット誤り率をどのように維持できるか？
• RQ4 スタックされたメモリスティブクロスバーを基盤とするスケーラブルなPUFアーキテクチャでは、実現可能なエントロピーとチャレンジ・レスポンスペアの空間はどの程度か？

主な発見

• 64ビットのレスポンスを6,000サンプル分測定した平均の均一性と拡散性は50% ± 5%であり、理論上の理想限界に近い。
• 同一クロスバー内でのコンダクタンスの再チューニングによるPUFの独自性は50% ± 1%であり、高いレスポンス多様性を示した。
• ±20%の電源電圧変動下で30日間の期間にわたりビット誤り率が約1.5% ± 1%に測定され、高い信頼性を示した。
• 10ビットの隠れたチャレンジジェネレータを備えたスケーラブルなPUFプリミティブを実証し、10^19組を超える一意なチャレンジ・レスポンスペアをエンコード可能であった。
• 複数のテストサンプルにわたって一貫したセキュリティ指標が維持されたことから、耐障害性と再現性が確認された。