[论文解读] 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 24

一句话总结

本文提出mrPUF，一种基于纳米尺度忆阻器件的新型物理不可克隆函数（PUF），利用阻变存储器中的固有电阻变异实现高安全性密钥生成。通过采用纳米交叉阵列架构，mrPUF仅消耗70 µW功率，即可实现超过10^1000种可能的挑战-响应对，为无源RFID系统提供安全、低资源的实体绑定。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于资源受限设备（如无源RFID标签）的高安全性片上PUF。
• 利用纳米尺度忆阻器件中固有的制造变异，实现不可克隆的物理随机性。
• 利用纳米交叉阵列架构的超高信息容量（SHIC），最大化唯一挑战-响应对（CRP）的数量。
• 在保持强大安全特性的前提下，实现极低功耗（约70 µW）。
• 证明利用阻变存储器技术在基于硅的系统中实现实际、可扩展的PUF方案的可行性。

提出的方法

• 基于忆阻器件的纳米交叉阵列设计PUF架构，其中每个交叉点因制造变异而表现出独特的电阻值。
• 将单个忆阻器件的电阻变异作为PUF响应生成的物理随机性来源。
• 实现一种挑战-响应机制，其中将输入挑战施加于特定交叉点，输出响应由测得的电阻状态推导得出。
• 采用紧凑、低功耗的电路设计，以极低能量消耗（约70 µW）读取和处理响应。
• 利用纳米交叉阵列结构的高密度和可扩展性，指数级增加可能的CRP数量。
• 通过模拟和电阻变异分布分析，验证PUF的可靠性和唯一性。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米尺度忆阻器件能否有效用于生成用于密码密钥生成的物理不可克隆随机性？
• RQ2 纳米交叉阵列架构的超高信息容量（SHIC）在多大程度上可增强PUF中唯一挑战-响应对的数量？
• RQ3 基于忆阻的PUF能否同时实现高安全性和适用于无源RFID设备的超低功耗？
• RQ4 阻变存储器器件中的固有电阻变异如何贡献于PUF输出的唯一性和不可预测性？
• RQ5 所提出的mrPUF架构是否与标准硅基制造工艺兼容，并可扩展用于嵌入式系统集成？

主要发现

• 由于纳米交叉阵列中高维变异空间的存在，mrPUF架构可实现超过10^1000种可能的挑战-响应对。
• mrPUF的功耗估计约为70 µW，适用于无源和能量受限设备。
• 忆阻器件中固有的电阻变异提供了强大的物理随机性来源，确保了不可克隆性和不可预测性。
• 该设计具备可扩展性，且与标准CMOS工艺兼容，可实现低面积、低功耗系统中的片上集成。
• 该方法可扩展至其他基于硅的PUF，提升嵌入式和物联网设备的安全性。
• 仿真结果证实，该PUF在多个器件样本中均表现出高度的唯一性和可靠性。