[论文解读] Detecting Recycled Commodity SoCs: Exploiting Aging-Induced SRAM PUF Unreliability

Yansong Gao, Hua Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出了一种无需成本的方法，通过利用SRAM PUF中由SRAM单元上电状态生成的硬件指纹所固有的老化诱导不可靠性，检测被回收的通用系统级芯片（SoCs）。通过选择对老化敏感的SRAM PUF响应（ASRs），该方法在使用少于1,000个响应的情况下，实现低于0.001的误接受率和误拒绝率，从而在无需设计修改的情况下可靠检测现场老化后的SoCs。

ABSTRACT

A physical unclonable function (PUF), analogous to a human fingerprint, has gained an enormous amount of attention from both academia and industry. SRAM PUF is among one of the popular silicon PUF constructions that exploits random initial power-up states from SRAM cells to extract hardware intrinsic secrets for identification and key generation applications. The advantage of SRAM PUFs is that they are widely embedded into commodity devices, thus such a PUF is obtained without a custom design and virtually free of implementation costs. A phenomenon known as `aging' alters the consistent reproducibility---reliability---of responses that can be extracted from a readout of a set of SRAM PUF cells. Similar to how a PUF exploits undesirable manufacturing randomness for generating a hardware intrinsic fingerprint, SRAM PUF unreliability induced by aging can be exploited to detect recycled commodity devices requiring no additional cost to the device. In this context, the SRAM PUF itself acts as an aging sensor by exploiting responses sensitive to aging. We use SRAMs available in pervasively deployed commercial off-the-shelf micro-controllers for experimental validations, which complements recent work demonstrated in FPGA platforms, and we present a simplified detection methodology along experimental results. We show that less than 1,000 SRAM responses are adequate to guarantee that both false acceptance rate and false rejection rate are no more than 0.001.

研究动机与目标

• 为应对全球供应链中占报告假冒品超过80%的回收及翻新假冒集成电路的日益增长威胁。
• 将现有SRAM PUF的功能从认证和密钥生成扩展至基于老化的回收设备检测。
• 在不增加硬件成本或设计修改的前提下，利用现成微控制器中已存在的普遍SRAM PUF，实现对回收通用SoCs的检测。
• 开发一种简化且系统化的ASR选择方法，以最小化响应位长度并最大化检测准确率。
• 通过真实微控制器的实验验证该方法，并在不同老化条件下展示其高可靠性。

提出的方法

• 该方法识别并选择对老化引起的可靠性退化表现出高敏感性的SRAM PUF响应，称为老化敏感响应（ASRs）。
• 它利用SRAM单元自然老化过程导致其上电状态一致性改变的特性，作为内置的老化传感器。
• 该方法通过统计分析设备间与设备内响应差异（Δp_interA 和 Δp_intraA）来量化老化影响，并确定检测阈值。
• 提出一种简化的选择策略，优先选择老化敏感性高的ASRs，从而减少实现可靠检测所需的响应位数。
• 检测过程由资源丰富的验证方执行，将待测设备的SRAM PUF响应与已知良好设备的参考响应进行比较。
• 通过选择具有足够老化诱导方差的ASRs，并在多个老化周期中验证性能，确保低误接受率（FAR）和低误拒绝率（FRR）

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以可靠地利用通用SRAM PUF中的老化诱导不可靠性，在无需额外硬件的情况下检测回收的SoCs？
• RQ2 实现误接受率（FAR）和误拒绝率（FRR）低于0.001所需的SRAM PUF响应位数最少是多少？
• RQ3 随着老化持续时间的增加，检测准确率如何提升？何种老化周期足以实现可靠检测？
• RQ4 简化的ASR选择方法是否能有效减少所需响应位数，同时保持高检测准确率？
• RQ5 现有现成微控制器在无需设计修改的情况下，能在多大程度上用于实现该检测方法？

主要发现

• 使用少于1,000个SRAM PUF响应，该方法实现了误接受率（FAR）和误拒绝率（FRR）均低于0.001，确保了高检测可靠性。
• 当老化周期数（N）从3增加到9时，所需响应位数（n）减少了超过63%，证明了ASR选择的有效性。
• 仅经过九天的现场老化（相当于49.6天的加速老化），使用840个响应位即可实现EER < 10^-4，且FAR和FRR低于10^-4。
• 更长的老化周期（如49.6天）可减少所需ASRs数量，同时保持相同的检测准确率，表明随时间推移检测能力得到提升。
• 该方法对设备为零成本，因为所有计算均由验证方承担，无需设计修改或额外硬件。
• 实验结果证实，随着老化时间延长，检测准确率持续提高，验证了所选SRAM PUF响应的老化敏感性。