[論文レビュー] Information-Dense Nonlinear Photonic Physical Unclonable Function

Brian C. Grubel, Bryan T. Bosworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、混沌的マイクロキャビティにおける超高速非線形光界面を活用することで、高い情報密度と鍵生成レートを達成する、新しいシリコンフォトニクス物理的クローン不能関数（PUF）を提案する。シリコンに内在する非線形性を活用することで、クローン化やエミュレーションに強く、従来の光的PUFと比較して優れた暗号強度とCMOS互換性を示す。

ABSTRACT

We present a comprehensive investigation into the complexity of a new private key storage apparatus: a novel silicon photonic physical unclonable function (PUF) based on ultrafast nonlinear optical interactions in a chaotic silicon microcavity that is both unclonable and impossible to emulate. This device provides remarkable improvements to total information content (raw cryptographic material), information density, and key generation rates over existing optical scattering PUFs and is also more easily integrated with both CMOS electronics and telecommunications hardware. Our device exploits the natural nonlinear optical behavior of silicon to neutralize commonly used attacks against PUFs and vastly enhance device complexity. We confirm this phenomenon with thorough experimental results on prototype devices and present a detailed estimate of their total information content. Our compact, micron-scale approach represents an entirely new generation of ultrafast and high information density photonic PUF devices that can be directly incorporated into integrated circuits to ensure authenticity and provide secure physical storage of private key material.

研究の動機と目的

• 従来の光的PUFと比較して、はるかに高い情報量を持つ物理的クローン不能関数（PUF）を開発すること。
• シリコンに内在する非線形光効果を活用することで、従来のPUFの脆弱性を是正すること。
• CMOSエレクトロニクスおよび通信機器ハードウェアとシームレスに統合できるようにすること。
• リアルタイム暗号応用に適した超高速鍵生成レートを達成すること。
• クローン化が不可能でエミュレーションも不可能な、コンactなマイクロスケールPUFアーキテクチャを実現すること。

提案手法

• PUFは、超高速光励起下で混沌的非線形光応答を示すシリコンフォトニクスマイクロキャビティとして実装される。
• 自己位相変調や四波混合といった非線形相互作用が、複雑で予測不能な出力パターンを生成するために活用される。
• 時間分解能を有する光検出を用いてデバイスの応答を測定し、一意的で高エントロピーな鍵素材を抽出する。
• CMOS互換性を確保するため、標準的なシリコンオンインサレータ（SOI）プロセスを用いてプロトタイプを製造する。
• プロトタイプデバイスの実験的特性評価により、情報含量と鍵生成レートを定量的に評価する。
• 詳細な理論モデルを用いて、出力応答の統計的分布に基づき、総情報含量を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンマイクロキャビティにおける超高速非線形光効果を活用することで、従来の光的PUFと比較して高い情報密度を持つ物理的クローン不能関数を構築できるか？
• RQ2 シリコンに内在する非線形性が、クローン化やエミュレーション攻撃に対する耐性をどのように高めるか？
• RQ3 このPUFアーキテクチャは、CMOSエレクトロニクスおよび通信インfraストラクチャとどの程度統合可能か？
• RQ4 マイクロスケールフォトニクスPUFで達成可能な情報含量と鍵生成レートはどの程度か？
• RQ5 マイクロキャビティの混沌的応答を信頼性高く測定し、暗号鍵素材として利用できるか？

主な発見

• 提案されたPUFは、マイクロキャビティ内の複雑な非線形ダイナミクスのおかげで、従来の光散乱PUFと比較して顕著に高い総情報含量を達成した。
• 超高速光相互作用のおかげで、リアルタイム暗号応用に適した鍵生成レートを実現した。
• 実験結果により、複数のプロトタイプデバイスにおいてPUF応答の独自性と予測不能性が確認された。
• PUFの情報密度は、既存のフォトニクスPUFを上回っており、高セキュリティ応用に適している。
• シリコンの非線形光挙動が、PUFにおける一般的なサイドチャネル攻撃およびモデル化攻撃を効果的に無効化した。
• デバイスは標準的なCMOSプロセスと完全に互換性があり、集積回路への直接統合が可能である。