[論文レビュー] Ring Oscillator Physical Unclonable Function with Multi Level Supply Voltages

Shohreh Sharif Mansouri, Elena Dubrova|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2012

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 10被引用数 11

ひとこと要約

この論文では、リングオシレーター内の個々のインバータに独立した電圧を割り当てることで、チャレンジ/レスポンス容量を向上させ、面積を削減し、温度変化に対する耐性を高めるマルチレベル供給電圧リングオシレーターPUF（RO-PUF）を提案する。ROペアごとに動的に電圧設定を切り替えることで、温度センサーやハードウェア利用率の損失なしに、独自性と信頼性を向上させる。

ABSTRACT

One of the most common types of Physical Unclonable Functions (PUFs) is the ring oscillator PUF (RO-PUF), in which the output bits are obtained by comparing the oscillation frequencies of different ring oscillators. In this paper we design a new type of ring oscillator PUF in which the different inverters composing the ring oscillators can be supplied by different voltages. The new RO-PUF can be used to (1) increase the maximum number of possible challenge/response pairs produced by the PUF; (2) generate a high number of bits while consuming a low area; (3) improve the reliability of the PUF in case of temperature variations. We present the basic idea of the new RO-PUF and then discuss its applications.

研究の動機と目的

• 従来の制限を超えて、RO-PUFにおける一意なチャレンジ/レスポンスペアの数を増加させること。
• リソース制約のあるアプリケーション向けに、RO-PUF実装の面積オーバーヘッドを削減すること。
• 温度センサーよりも依存せずに、温度変化下でのRO-PUFの信頼性を向上させること。
• 温度に配慮したRO-PUF設計において、100％のハードウェア利用率を実現すること。

提案手法

• リングオシレーター内の各インバータがL個の異なる電圧レベルのうちの1つを供給され、ROペアごとに複数の電圧設定が可能になる。
• メモリが、全温度範囲（−25°C〜125°C）で信頼性の高い動作を保証するように選択された、各ROペアの事前計算済み電圧設定を格納する。
• 動作中、選択されたROペアにメモリから取得した電圧設定が供給され、安定な周波数比較が保証される。
• 標準のリングオシレーター構造（マルチプレクサ、カウンタ、コンパレータ）を採用しているが、インバータごとの電圧レベル制御を拡張して実装している。
• ROペアごとの可能な電圧設定の数はLCであり、Lは電圧レベル数、Cはインバータの列数を表す。
• 製造後テストおよび事前計算に基づき、各ペアに対して少なくとも1つの電圧設定が温度変化に耐性を持つことが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチレベル供給電圧は、RO-PUFにおける一意なチャレンジ/レスポンスペアの数を顕著に増加させ得るか？
• RQ2 このアプローチは、高いパフォーマンスを維持したまま、RO-PUFの面積インパクトを削減できるか？
• RQ3 電圧設定の選択により、温度センサーよりも依存せずに、RO-PUFの温度変化下での信頼性が向上するか？
• RQ4 電圧設定メモリを用いて、温度に配慮したRO-PUFで100％のハードウェア利用率を達成するのは現実的か？

主な発見

• 提案されたRO-PUFは、100％のハードウェア利用率を達成し、理論的上限に一致するR(R−1)/2個のチャレンジ/レスポンスペアをサポートする。
• UMC 90 nmプロセス、L=2、C=3の場合、各ROペアは8種類の電圧設定で動作可能であり、そのうち少なくとも1つは−25°C〜125°Cの全温度範囲で信頼性の高い動作を保証する。
• R=4、C=5、L=2のPUFの場合、電圧設定を格納するためのメモリサイズは30ビットと推定され、コンパクトな実装が可能である。
• 先行研究とは異なり、温度センサーや必要とせず、信頼性を維持または向上させている。
• 電圧レベルの多様性を活用して周波数差を安定化させることで、従来のRO-PUFよりも高い独自性と信頼性を達成している。
• 電圧設定メモリが漏洩しても、基盤となるRO周波数が露呈されず、PUFのセキュリティが損なわれないため、このアプローチは安全である。