[논문 리뷰] Information-Dense Nonlinear Photonic Physical Unclonable Function

Brian C. Grubel, Bryan T. Bosworth외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고속 비선형 광학 상호작용을 이용한 혼돈적인 마이크로캐비티에서 유도되는 고정보밀도 및 고속 키 생성률을 달성하기 위해 새로운 실리콘 포토닉 물리적 복제 불가 함수(PUF)를 소개한다. 실리콘 내부의 고유한 비선형성을 활용함으로써 장치는 복제 및 모의 공격에 저항하며, 기존의 광학 PUF에 비해 훨씬 뛰어난 암호학적 강도와 CMOS 호환성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 광학 PUF보다 훨씬 높은 정보량을 지닌 물리적 복제 불가 함수(PUF)를 개발하는 것.
• 실리콘 내부의 고유한 비선형 광학 효과를 활용하여 기존의 PUF의 취약점을 해결하는 것.
• CMOS 전자기기 및 통신 하드웨어와의 원활한 통합을 가능하게 하는 것.
• 실시간 암호학적 응용에 적합한 초고속 키 생성률을 달성하는 것.
• 복제 및 모의가 불가능한 미크론 스케일의 컴act한 PUF 아키텍처를 제공하는 것.

제안 방법

• PUF는 초고속 광학 자극 하에서 혼돈적인 비선형 광학 반응를 나타내는 실리콘 포토닉 마이크로캐비티로 구현된다.
• 특히 자기위상변조 및 4파면 혼합과 같은 비선형 상호작용이 복잡하고 예측 불가능한 출력 패턴을 생성하도록 활용된다.
• 고유하고 고엔트로피가 높은 키 자료를 추출하기 위해 시간 해상도를 갖춘 광학 측정을 통해 장치의 반응을 측정한다.
• CMOS 호환성을 확보하기 위해 표준 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 공정을 사용하여 시스템을 제작한다.
• 정보 밀도와 키 생성률을 정량화하기 위해 프로토타입 장치에서 실험적 특성 분석을 수행한다.
• 세부적인 이론 모델을 통해 출력 반응의 통계적 분포를 기반으로 총 정보 밀도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 마이크로캐비티에서 초고속 비선형 광학 효과를 활용하여 기존의 광학 PUF보다 더 높은 정보 밀도를 지닌 물리적 복제 불가 함수를 만들 수 있는가?
• RQ2 실리콘의 고유한 비선형성이 복제 및 모의 공격에 대한 저항력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이 PUF 아키텍처는 CMOS 전자기기 및 통신 인fra구조와 얼마나 잘 통합될 수 있는가?
• RQ4 미크론 스케일의 포토닉 PUF에서 달성 가능한 정보 밀도와 키 생성률은 얼마인가?
• RQ5 마이크로캐비티의 혼돈적 반응는 신뢰성 있게 측정되어 암호학적 키 자료로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 복잡한 비선형 역학으로 인해 마이크로캐비티 내에서 발생하는 상호작용으로 인해 기존의 광학 산산조각 PUF보다 훨씬 높은 총 정보 밀도를 달성한다.
• 초고속 광학 상호작용 덕분에 실시간 암호학적 응용에 적합한 키 생성률을 보여준다.
• 다양한 프로토타입 장치에서의 실험 결과는 PUF 반응의 유일성과 예측 불가능성을 확인한다.
• PUF의 정보 밀도는 기존의 포토닉 PUF를 뛰어넘어 고보안 응용에 적합하다.
• 실리콘의 비선형 광학적 거동은 PUF에 대한 일반적인 사이드 채널 공격 및 모델링 공격을 효과적으로 무력화한다.
• 장치는 표준 CMOS 제조 공정과 완전히 호환되어 통합 회로에 직접 통합이 가능하다.