[논문 리뷰] Highly-Secure Physically Unclonable Cryptographic Primitives Using Nonlinear Conductance and Analog State Tuning in Memristive Crossbar Arrays

Hussein Nili, Gina C. Adam외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 23.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비선형 I-V 특성과 아날로그 전도도 조정 기능을 갖춘 3D 메모리스티브 크로스바 어レイ를 사용하여 고도로 안정된 재구성 가능한 물리적 복제 불가능 기능(PUF) 원리를 제안한다. 250-nm 반피치 메모리스티브 소자의 공정에 기인한 변동성을 활용함으로써, 프로토타입은 근사적으로 이상적인 균일성(50% ± 5%)과 산란성, 전원 공급 변동 하에서 30일간 약 1.5%의 낮은 비트 오류율을 달성하여 10^19개 이상의 고유한 챌린지-응답 쌍을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상호연결된 시스템에서 강력한 보안을 확보하기 위해 내재된 하드웨어 변동성을 활용하는 물리적 복제 불가능 기능(PUF) 원리를 개발하는 것.
• 메모리스티브 장치의 확률적 행동을 활용하여 고유하고 예측 불가능한 암호화 응답을 생성하는 것.
• 밀도가 높고 재구성 가능한 아키텍처에서 균일성, 산란성, 신뢰성의 높은 수준을 확보하여 하드웨어 보안에 적합한 것.
• 기본 PUF 블록을 확장하여 은닉된 채령 생성 기능과 막대한 CRP 공간을 갖춘 더 큰 功能적 원리로 확장하는 것.

제안 방법

• 10×10 250-nm 반피치 레이아웃을 갖춘 3D 수동 산화막 메모리스티브 크로스바 어레이의 설계 및 제작.
• 크로스포인트 메모리스티브 소자의 비선형 I-V 특성에서 기인한 공정에 의한 변동성을 무작위성의 원천으로 활용.
• PUF 상태의 재구성과 재사용성을 가능하게 하기 위한 아날로그 전도도 조정 기능의 구현.
• 다중 스택형 2층 크로스바 블록을 사용하여 고 엔트로피를 지닌 10비트 은닉 채령 생성기 구현.
• 환경 변화 하에서 균일성, 산란성, 비트 오류율 등 보안 지표의 특성 분석.
• 동일한 크로스바 내에서 전도도를 재조정하고 응답의 분리 정도를 측정함으로써 유일성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 I-V 특성을 갖는 메모리스티브 크로스바 어레이가 이상적인 균일성과 산란성을 지닌 PUF 응답을 생성할 수 있는가?
• RQ2 아날로그 전도도 조정이 PUF 보안 특성을 유지하면서 재구성 가능성을 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ3 장기간에 걸쳐 전원 공급 변동이 발생하는 상황에서도 시스템이 낮은 비트 오류율을 유지할 수 있는가?
• RQ4 스택형 메모리스티브 크로스바 기반의 확장 가능한 PUF 아키텍처에서 도달 가능한 엔트로피와 채령-응답 쌍의 공간은 어느 정도인가?

주요 결과

• 6,000개의 64비트 응답을 샘플링한 결과 평균 균일성과 산란성은 50% ± 5%로 이상적인 이론적 한계에 근접하였다.
• 동일한 크로스바에서 전도도를 재조정하여 측정한 PUF의 유일성은 50% ± 1%로 높은 응답 다양성을 나타내었다.
• 전원 공급 변동 ±20% 하에서 30일간 측정한 비트 오류율은 약 1.5% ± 1%로 높은 신뢰성을 입증하였다.
• 10비트 은닉 채령 생성 기능을 갖춘 확장 가능한 PUF 원리가 구현되었으며, 10^19개 이상의 고유한 채령-응답 쌍을 인코딩하였다.
• 다양한 테스트 샘플 간 일관된 보안 지표를 유지함으로써 체계의 강건성과 재현 가능성을 확인하였다.