[论文解读] Ring Oscillator Physical Unclonable Function with Multi Level Supply Voltages

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

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 10被引用 11

一句话总结

本文提出一种多级供电电压环形振荡器物理不可克隆函数（RO-PUF），通过为环形振荡器中的每个反相器分配独立的电压，提升了挑战/响应对容量，减少了面积开销，并增强了温度鲁棒性。通过动态选择每对RO的电压配置，该设计在不依赖温度传感器且不牺牲硬件利用率的前提下，提高了唯一性和可靠性。

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.

研究动机与目标

• 将RO-PUF中的唯一挑战/响应对数量提升至传统限制以上。
• 减少资源受限应用场景中RO-PUF实现的面积开销。
• 在不依赖温度传感器的前提下，提升RO-PUF在温度变化下的可靠性。
• 在温度感知的RO-PUF设计中实现100%的硬件利用率。

提出的方法

• 环形振荡器中的每个反相器由L种不同的电压电平之一供电，使每对RO可配置多种电压组合。
• 存储器中预先存储每对RO的电压配置，以确保在全温度范围（−25°C至125°C）内可靠运行。
• 运行时，为选定的RO对提供来自存储器的电压配置，确保频率比较稳定。
• 系统采用标准环形振荡器架构，包含多路复用器、计数器和比较器，但通过为每个反相器增加电压电平控制进行扩展。
• 每对RO可能的电压配置数量为LC，其中L为电压电平数，C为反相器列数。
• 设计确保每对RO至少存在一种电压配置，可抵抗温度变化影响，基于制造后测试和预计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 多级供电电压能否显著增加RO-PUF中唯一挑战/响应对的数量？
• RQ2 该方法能否在保持高性能的同时减少RO-PUF的面积开销？
• RQ3 电压配置选择能否在无温度传感器的情况下提升RO-PUF在温度变化下的可靠性？
• RQ4 在使用电压配置存储器的前提下，能否实现温度感知RO-PUF中100%的硬件利用率？

主要发现

• 所提出的RO-PUF可支持最多R(R−1)/2组挑战/响应对，实现100%硬件利用率，达到理论最大值。
• 在UMC 90 nm工艺下，L=2且C=3时，每对RO可运行于8种电压配置下，且至少有一种配置可在−25°C至125°C范围内保持可靠运行。
• 对于R=4、C=5、L=2的PUF，存储电压配置所需的存储器大小估算为30位，支持紧凑实现。
• 与先前工作相比，该设计消除了对温度传感器的需求，同时保持或提升了可靠性。
• 通过利用电压电平多样性稳定频率差异，该方法在唯一性和可靠性方面优于传统RO-PUF。
• 该方法具有安全性，因为即使泄露电压配置存储器，也不会暴露底层RO频率，亦不会损害PUF安全性。