[논문 리뷰] Detecting Recycled Commodity SoCs: Exploiting Aging-Induced SRAM PUF Unreliability

Yansong Gao, Hua Ma외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 21.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SRAM PUF의 전력 켜짐 상태에서 유도되는 하드웨어 지문인 SRAM PUF에서 발생하는 노후화 유발 불안정성을 활용하여, 설계 수정 없이도 비용이 들지 않는 방법으로 재사용된 통합회로(Commodity System-on-Chips, SoCs)를 탐지하는 방법을 제안한다. 노후화 민감도가 높은 SRAM PUF 응답(ASRs)을 선택함으로써, 1,000개 미만의 응답으로도 거짓 수용률과 거짓 기각률이 0.001 이하로 떨어지며, 현장에서 사용된 노후된 SoCs를 신뢰성 있게 탐지할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 공급망에서 80퍼센트 이상의 보고된 위조 제품을 차지하는 재사용 및 재마킹된 위조 IC의 증가하는 위협에 대응하기 위해.
• 기존의 SRAM PUF의 기능을 인증 및 키 생성을 넘어서, 재사용된 장치를 탐지하는 데에 활용하는 노후화 기반 탐지 기능으로 확장하기 위해.
• 추가 하드웨어 비용이나 설계 수정 없이도, 상용 마이크로컨트롤러에 이미 내장된 광범위하게 존재하는 SRAM PUF를 활용하여 재사용된 통합회로를 탐지할 수 있도록 하기 위해.
• 최소한의 응답 비트 길이로도 최고의 탐지 정확도를 달성할 수 있도록, 노후화 민감도가 높은 PUF 응답(ASRs)을 체계적이고 단순화된 방법으로 선택하는 방법론을 개발하기 위해.
• 실제 마이크로컨트롤러를 사용하여 실험적으로 방법을 검증하고, 다양한 노후 조건에서도 높은 신뢰성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 노후화로 인한 신뢰성 저하에 매우 민감한 SRAM PUF 응답을 식별하고 선택하는 방법으로, 이를 노후화 민감 응답(ASRs)이라 한다.
• SRAM 셀의 자연스러운 노후화 과정이 전원 켜짐 상태 일관성에 영향을 주어, 내장된 노후화 센서 기능을 수행하도록 활용한다.
• 장치 간 및 장치 내 응답 차이(Δp_interA 및 Δp_intraA)의 통계적 분석을 통해 노후화 영향을 정량화하고 탐지 임계값을 결정한다.
• 노후화 민감도가 높은 ASRs를 우선순위로 정렬하여, 신뢰성 있는 탐지에 필요한 응답 비트 수를 줄이는 단순화된 선택 전략을 제안한다.
• 자원이 풍부한 검증자가 장치의 SRAM PUF 응답을 알려진 양호한 장치의 기준 응답과 비교하여 탐지 과정을 수행한다.
• 노후화로 인한 분산이 충분히 큰 ASRs를 선택하고, 여러 노후 기간 동안 성능을 검증함으로써 거짓 수용률(FAR)과 거짓 기각률(FRR)을 낮추는 데 성공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 SRAM PUF에서 발생하는 노후화로 인한 불안정성을 추가 하드웨어 없이 신뢰성 있게 활용하여 재사용된 SoCs를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 거짓 수용률(FAR)과 거짓 기각률(FRR)이 0.001 이하가 되기 위해 필요한 SRAM PUF 응답 비트 수의 최소값은 얼마인가?
• RQ3 노후화 기간이 길어질수록 탐지 정확도는 어떻게 향상되며, 신뢰성 있는 탐지를 위해 필요한 최소 노후 기간은 무엇인가?
• RQ4 단순화된 ASR 선택 방법론이 탐지 정확도를 유지하면서도 필요한 응답 비트 수를 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ5 이미 존재하는 상용 마이크로컨트롤러를 설계 수정 없이 이 탐지 방법을 구현하는 데 얼마나 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 1,000개 미만의 SRAM PUF 응답을 사용함으로써, 거짓 수용률(FAR)과 거짓 기각률(FRR)이 모두 0.001 이하로 떨어지며, 높은 탐지 신뢰성을 확보하였다.
• 노후화 기간 수(N)가 3에서 9로 증가함에 따라, 필요한 응답 비트 수(n)가 63퍼센트 이상 감소하여, ASR 선택의 효과성을 입증하였다.
• 9일간의 현장 노후화(가속화된 노후화 49.6일에 해당) 조건에서, 840개의 응답 비트로 EER < 10^-4를 달성하였고, FAR 및 FRR가 10^-4 이하로 유지되었다.
• 더 긴 노후 기간(예: 49.6일) 동안에는 동일한 탐지 정확도를 유지하면서도 필요한 ASR 수가 감소하여, 시간이 지남에 따라 탐지 가능성 향상이 가능함을 시사하였다.
• 모든 계산이 검증자에게 위탁되므로 장치 측에서는 비용이 들지 않으며, 설계 수정이나 추가 하드웨어가 필요 없어 비용이 들지 않는다는 점에서 이점이 있다.
• 실험 결과, 장기적인 노후화가 진행될수록 탐지 정확도가 향상됨을 확인하여, 선택된 SRAM PUF 응답의 노후화 민감도가 실제로 입증되었다.