[논문 리뷰] mrPUF: A Memristive Device based Physical Unclonable Function

Omid Kavehei, Chun Hosung외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 09.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 10인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 나노스케일 메모리스티브 장치를 기반으로 한 새로운 물리적 불복제 기능(PUF)인 mrPUF를 제안한다. 이는 저항 메모리의 내재된 저항 변동성을 활용하여 고안된 것으로, 높은 보안성을 갖춘 키 생성을 가능하게 한다. 나노크로스바 아키텍처를 통해 mrPUF는 단지 70 µW의 전력 소비로 10^1000개 이상의 챌린지-응답 쌍을 구현하며, 수동 RFID 시스템에서 안정적이고 자원 소모가 적은 신원 바인딩을 실현한다.

ABSTRACT

Physical unclonable functions (PUFs) exploit the intrinsic complexity and irreproducibility of physical systems to generate secret information. PUFs have the potential to provide fundamentally higher security than traditional cryptographic methods by preventing the cloning of identities and the extraction of secret keys. One unique and exciting opportunity is that of using the super-high information content (SHIC) capability of nanocrossbar architecture as well as the high resistance programming variation of resistive memories to develop a highly secure on-chip PUFs for extremely resource constrained devices characterized by limited power and area budgets such as passive Radio Frequency Identification (RFID) devices. We show how to implement PUF based on nano-scale memristive (resistive memory) devices (mrPUF). Our proposed architecture significantly increased the number of possible challenge-response pairs (CRPs), while also consuming relatively lesser power (around 70 uW). The presented approach can be used in other silicon-based PUFs as well.

연구 동기 및 목표

• 수행 능력이 제한된 장치, 예를 들어 수동 RFID 태그와 같은 장치에 적합한 고보안, 온칩 PUF를 개발하는 것.
• 나노스케일 메모리스티브 장치의 내재된 제조 공정 변동성을 활용하여 복제가 불가능한 물리적 무작위성을 확보하는 것.
• 나노크로스바 아키텍처의 초고정보량(SHIC)을 활용하여 고유한 챌린지-응답 쌍(CRP)의 수를 극대화하는 것.
• 강력한 보안 특성을 유지하면서도 약 70 µW의 극도로 낮은 전력 소비를 달성하는 것.
• 저항 메모리 기술이 실용적이고 확장 가능한 실리콘 기반 시스템에서의 PUF 구현을 위해 실제 적용 가능함을 입증하는 것.

제안 방법

• 제조 공정에서 발생하는 변동성으로 인해 각 크로스포인트가 고유한 저항을 가지는 메모리스티브 장치의 나노크로스바 어레이 기반의 PUF 아키텍처 설계.
• 개별 메모리스티브 장치의 저항 변동성을 PUF 응답 생성을 위한 물리적 무작위성의 원천으로 활용.
• 특정 크로스포인트에 도전 과제를 적용하고 측정된 저항 상태로부터 응답을 유도하는 챌린지-응답 메커니즘 구현.
• 최소한의 에너지 소비(~70 µW)로 응답을 읽고 처리할 수 있는 컴act하고 저전력 회로 설계 적용.
• 나노크로스바 구조의 고밀도성과 확장 가능성을 활용하여 가능한 CRP의 수를 지수적으로 증가.
• 저항 변동 분포 분석을 통한 시뮬레이션 및 분석을 통해 PUF의 신뢰성과 고유성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노스케일 메모리스티브 장치는 암호 키 생성을 위한 물리적으로 복제 불가능한 무작위성을 효과적으로 생성하는 데에 적합한가?
• RQ2 나노크로스바 아키텍처의 초고정보량(SHIC)은 PUF에서 고유한 챌린지-응답 쌍의 수를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 메모리스티브 기반 PUF는 수동 RFID 장치에 적합한 고보안성과 초저전력 소비를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 저항 메모리 장치의 내재된 저항 변동성은 PUF 출력의 고유성과 예측 불가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 제안된 mrPUF 아키텍처는 표준 실리콘 제조 공정과 호환되며 임베디드 시스템에 통합 가능한가?

주요 결과

• 나노크로스바 어레이의 고차원적 변동성 공간 덕분에 mrPUF 아키텍처는 10^1000개 이상의 가능한 챌린지-응답 쌍을 달성한다.
• mrPUF의 전력 소모는 약 70 µW로 추정되어 수동 및 에너지 제약이 있는 장치에 적합하다.
• 메모리스티브 장치의 내재된 저항 변동성은 강력한 물리적 무작위성 원천을 제공하여 복제 불가능성과 예측 불가능성을 보장한다.
• 설계는 확장 가능하며 표준 CMOS 공정과 호환되어 저면적, 저전력 시스템에 온칩 통합이 가능하다.
• 이 접근법은 다른 실리콘 기반 PUF로의 확장도 가능하여 임베디드 및 IoT 장치의 보안성을 향상시킬 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 다양한 장치 샘플 간에 높은 고유성과 신뢰성을 확보한 PUF 응답을 입증한다.