[论文解读] Information-Dense Nonlinear Photonic Physical Unclonable Function

Brian C. Grubel, Bryan T. Bosworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的硅基光子物理不可克隆函数（PUF），利用混沌微腔中的超快非线性光学相互作用，实现高信息密度和高速密钥生成率。通过利用硅材料中的本征非线性特性，该器件可有效抵抗克隆与仿真攻击，相较于现有光子PUF展现出更优越的密码学强度和与CMOS工艺的兼容性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种物理不可克隆函数（PUF），其信息容量显著高于现有光子PUF。
• 通过利用硅中固有的非线性光学效应，解决传统PUF的漏洞问题。
• 实现与CMOS电子器件及通信硬件的无缝集成。
• 实现适用于实时密码学应用的超高速密钥生成速率。
• 展示一种紧凑的微米级PUF架构，具备不可克隆性且无法被仿真。

提出的方法

• 该PUF被实现为一种硅光子微腔，在超快光激发下表现出混沌非线性光学响应。
• 利用非线性相互作用——特别是自相位调制和四波混频——生成复杂且不可预测的输出模式。
• 通过时间分辨光学检测测量器件响应，以提取独特且高熵的密钥材料。
• 采用标准绝缘体上硅（SOI）工艺进行器件制造，以确保与CMOS工艺的兼容性。
• 对原型器件进行实验表征，以量化信息容量和密钥生成速率。
• 建立详细的理论模型，基于输出响应的统计分布估算总信息容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用硅微腔中的超快非线性光学效应，构建一种信息密度显著高于现有光子PUF的物理不可克隆函数？
• RQ2 硅的本征非线性特性在多大程度上增强了对克隆与仿真攻击的抵抗能力？
• RQ3 该PUF架构在多大程度上可与CMOS电子器件及通信基础设施实现集成？
• RQ4 在微米尺度的光子PUF中，可实现的信息容量和密钥生成速率是多少？
• RQ5 微腔的混沌响应是否可被可靠测量并用作密码学密钥材料的来源？

主要发现

• 由于微腔中复杂的非线性动力学，所提出的PUF相较于传统光学散射PUF实现了显著更高的总信息容量。
• 该器件展现出适用于实时密码学应用的密钥生成速率，得益于超快光相互作用。
• 实验结果证实，多个原型器件的PUF响应具有唯一性和不可预测性。
• 该PUF的信息密度超过现有光子PUF，适用于高安全等级应用场景。
• 硅的非线性光学行为有效抵消了针对PUF的常见侧信道攻击与建模攻击。
• 该器件完全兼容标准CMOS制造工艺，可直接集成于集成电路中。