[論文レビュー] mrPUF: A Memristive Device based Physical Unclonable Function

Omid Kavehei, Chun Hosung+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2013

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 10被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、抵抗メモリの内在的抵抗変動を活用して高セキュリティな鍵を生成する、ナノスケールメモリスティブデバイスに基づく新しい物理的クローン不能関数（PUF）mrPUFを提案する。ナノクロスバー構造を用いることで、70 µWの消費電力で10^1000を超える挑戦-応答ペアを実現し、パassive RFIDシステムにおける安全でリソース効率の良いアイデンティティバインディングを可能にする。

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.

研究の動機と目的

• パassive RFIDタグなどのリソース制約のあるデバイスに適した、高セキュリティでオンチップ実装可能なPUFの開発。
• ナノスケールメモリスティックデバイスに内在する製造ばらつきを活用して、クローン不能な物理的ランダムネスを生成する。
• ナノクロスバー構造の超高次元情報含量（SHIC）を活用し、一意な挑戦-応答ペア（CRP）の数を最大化する。
• 強力なセキュリティ特性を維持しながら、約70 µWの超低消費電力を実現する。
• 抵抗メモリ技術を用いた実用的でスケーラブルなPUF実装が、シリコンベースのシステムに実現可能であることを実証する。

提案手法

• 製造ばらつきによって各クロスポイントに固有の抵抗値を示す、メモリスティックデバイスのナノクロスバーアレイに基づくPUFアーキテクチャの設計。
• 個々のメモリスティックデバイスの抵抗ばらつきを、PUF応答生成の物理的ランダムネスの源として利用する。
• 特定のクロスポイントに挑戦入力を印加し、測定された抵抗状態から応答を導出する挑戦-応答メカニズムの実装。
• 最小限のエネルギー消費（約70 µW）で応答を読み取り・処理する、コンactで低消費電力な回路設計の採用。
• ナノクロスバー構造の高密度性とスケーラビリティを活用し、可能なCRPの数を指数関数的に増加させる。
• 抵抗ばらつき分布のシミュレーションおよび解析を通じて、PUFの信頼性と一意性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールメモリスティックデバイスは、暗号鍵生成のための物理的クローン不能なランダムネスを効果的に生成できるか？
• RQ2 ナノクロスバー構造の超高次元情報含量（SHIC）は、PUFにおける一意な挑戦-応答ペアの数をどの程度向上できるか？
• RQ3 メモリスティックベースのPUFは、パassive RFIDデバイスに適した高セキュリティかつ超低消費電力の両立を達成できるか？
• RQ4 抵抗メモリデバイスに内在する抵抗の固有のばらつきは、PUF出力の一意性と予測不能性にどのように寄与するか？
• RQ5 提案されたmrPUFアーキテクチャは、標準的なシリコン製造プロセスと互換性があり、埋め込みシステムへの統合が可能でスケーラブルか？

主な発見

• mrPUFアーキテクチャは、ナノクロスバー配列における高次元のばらつき空間のおかげで、10^1000を超える可能な挑戦-応答ペアを達成した。
• mrPUFの消費電力は約70 µWと推定され、パassiveおよびエネルギー制約のあるデバイスに適している。
• メモリスティックデバイスに内在する抵抗のばらつきは、物理的ランダムネスの強力な源を提供し、クローン不能性と予測不能性を保証する。
• 設計はスケーラブルで、標準的なCMOSプロセスと互換性があり、低面積・低消費電力システムへのオンチップ統合を可能にする。
• このアプローチは、他のシリコンベースPUFへも応用可能であり、埋め込みおよびIoTデバイスにおけるセキュリティ強化に寄与する。
• シミュレーション結果は、複数のデバイスサンプルにわたるPUF応答の高い一意性と信頼性を確認した。