[논문 리뷰] Ring Oscillator Physical Unclonable Function with Multi Level Supply Voltages

Shohreh Sharif Mansouri, Elena Dubrova|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 17.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 10인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 개별 인버터에 독립적인 전압을 할당하는 다수준 공급 전압 레지스터 오실레이터 PUF(RO-PUF)를 제안한다. 이는 도전/응답 용량을 향상시키고 면적을 감소시키며 온도 내성 능력을 향상시킨다. RO 쌍당 동적으로 전압 구성 방식을 선택함으로써, 온도 센서가 없이도 하드웨어 활용도를 희생하지 않고도 고유성과 신뢰성을 높인다.

ABSTRACT

One of the most common types of Physical Unclonable Functions (PUFs) is the ring oscillator PUF (RO-PUF), in which the output bits are obtained by comparing the oscillation frequencies of different ring oscillators. In this paper we design a new type of ring oscillator PUF in which the different inverters composing the ring oscillators can be supplied by different voltages. The new RO-PUF can be used to (1) increase the maximum number of possible challenge/response pairs produced by the PUF; (2) generate a high number of bits while consuming a low area; (3) improve the reliability of the PUF in case of temperature variations. We present the basic idea of the new RO-PUF and then discuss its applications.

연구 동기 및 목표

• 기존의 한계를 초월해 RO-PUF의 고유한 도전/응답 쌍의 수를 늘리는 것.
• 자원 제약이 있는 응용 분야를 위한 RO-PUF 구현의 면적 오버헤드를 줄이는 것.
• 온도 센서에 의존하지 않고도 RO-PUF의 신뢰성을 온도 변화에 대응하여 향상시키는 것.
• 온도를 고려한 RO-PUF 설계에서 100% 하드웨어 활용도를 달성하는 것.

제안 방법

• 레지스터 오실레이터 내 각 인버터가 L개의 서로 다른 전압 수준 중 하나에서 공급되며, 이로 인해 RO 쌍당 다수준 전압 구성이 가능해진다.
• 모든 RO 쌍에 대해 사전 계산된 전압 구성 정보를 저장하는 메모리가 존재하며, 이는 전체 온도 범위(−25°C에서 125°C)에서 안정적인 동작을 보장하도록 선택된다.
• 운영 중에는 메모리에서 선택된 RO 쌍에 대해 전압 구성이 공급되어 안정적인 주파수 비교를 보장한다.
• 표준 레지스터 오실레이터 아키텍처(멀티플렉서, 카운터, 비교기 포함)를 사용하지만, 각 인버터에 대한 전압 수준 제어 기능을 추가로 구현한다.
• RO 쌍당 가능한 전압 구성 수는 LC이며, 여기서 L은 전압 수준 수이고 C는 인버터의 열 수이다.
• 제조 후 테스트 및 사전 계산 기반으로, 각 RO 쌍에 대해 최소한 하나의 전압 구성이 온도 변화에 저항할 수 있도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수준 공급 전압이 RO-PUF의 고유한 도전/응답 쌍 수를 크게 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 이 방법은 높은 성능를 유지하면서도 RO-PUF의 면적 면적을 줄일 수 있는가?
• RQ3 전압 구성 선택이 온도 변화에 따른 RO-PUF의 신뢰성을 향상시킬 수 있는가? 온도 센서 없이도 가능한가?
• RQ4 전압 구성 메모리 사용을 통해 온도를 고려한 RO-PUF에서 100% 하드웨어 활용도를 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 RO-PUF는 100% 하드웨어 활용도를 달성하며 이론적 최대치에 해당하는 R(R−1)/2개의 도전/응답 쌍을 지원한다.
• UMC 90 nm 공정에서 L=2, C=3 조건일 경우, 각 RO 쌍은 최대 8종의 전압 구성으로 동작할 수 있으며, 그 중 최소한 하나의 구성은 −25°C에서 125°C의 전체 온도 범위에서 안정적인 동작을 보장한다.
• R=4, C=5, L=2 조건에서 전압 구성 메모리의 크기는 약 30비트로 추정되어 컴팩트한 구현이 가능하다.
• 기존의 연구와 달리 온도 센서가 필요 없음에도 불구하고, 신뢰성은 유지 또는 향상된다.
• 전압 수준의 다양성을 활용하여 주파수 차이를 안정화시킴으로써, 기존의 RO-PUF보다 더 높은 고유성과 신뢰성을 달성한다.
• 전압 구성 메모리가 泄露되더라도 기반이 되는 RO 주파수나 PUF 보안이 유출되지 않기 때문에, 이 방법은 보안성이 확보되어 있다.