0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，芯片信息安全越來越受重視,。而環(huán)形振蕩器物理不可克隆函數(shù)(RO PUF)在信息安全領(lǐng)域作為一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù),，在芯片信息安全領(lǐng)域備受關(guān)注^[1]。傳統(tǒng)RO PUF通過比較放置在同一芯片不同位置的一對環(huán)形振蕩器的頻率來生成輸出0或1,。由于隨機(jī)的工藝偏差,輸出位將因芯片的不同而變得無法預(yù)測^[2],。因此,，基于傳統(tǒng)RO PUF的可配置的RO PUF被提出來。在可配置RO PUF中, 輸出位通過最大頻率差的配置向量生成^[3],，從而可以降低工藝偏差帶來的影響,。

    然而，不論是傳統(tǒng)RO PUF還是可配置RO PUF都存在一個相同的不足：通過比較兩個環(huán)形振蕩器頻率的不同只能產(chǎn)生一位輸出,。為了產(chǎn)生更多的輸出位,，只能不斷增加振蕩器數(shù)量。雖然頻率比較的方法可以提高輸出位數(shù),，但是有限的芯片資源限制了可配置RO PUF的實(shí)際運(yùn)用^[4],。

    根據(jù)以上不足，本文提出了動態(tài)可配置多路輸出RO PUF,。不僅從根本上增加了輸出位數(shù),，而且可以根據(jù)實(shí)際需求確定輸出位的數(shù)量。同時,，振蕩器的結(jié)構(gòu)隨工作條件的變化而相應(yīng)的改變,，因此可以提高芯片的魯棒性和安全性。

1 多輸出環(huán)形振蕩器

    多輸出環(huán)形振蕩器由反相器,、開關(guān)單元和路徑分配器組成,，路徑分配器是動態(tài)可配置多路輸出RO PUF的基礎(chǔ)。多輸出結(jié)構(gòu)的環(huán)形振蕩器如圖1所示,。

    圖1中所有開關(guān)單元都與仲裁器PUF^[5]中的開關(guān)單元一致,。如果在開關(guān)S[0..2]配置位是‘1’，信號將在對應(yīng)的開關(guān)交叉,，否則信號將平行通過,。圖1中由3個開關(guān)單元組成的振蕩器共有8(2³=8)種信號傳輸模式。路徑分配器用以確保信號不會在振蕩器上下路徑之間交叉?zhèn)鞑?，以保證每條路徑的穩(wěn)定振蕩,。信號從路徑分配器的輸出端開始傳輸，通過反相器和開關(guān)單元,，最后回到路徑分配器的輸入引腳。路徑分配器根據(jù)每個信號的配置向量決定信號的流向,，確保信號重新開始流動時,，會沿著之前的路徑流動。不同的配置向量將導(dǎo)致不同的信號傳輸模式,。不同的傳輸模式導(dǎo)致不同傳輸延遲的線路和門電路,，從而產(chǎn)生不同的振蕩頻率。

    相比傳統(tǒng)RO PUF中和可配置RO PUF振蕩器只能產(chǎn)生一位輸出,，該振蕩器只占一個LAB卻可以產(chǎn)生2個輸出位,。除此之外,，通過調(diào)整開關(guān)單元的通斷和路徑分配器的信號分配路徑，該振蕩器還可以產(chǎn)生更多的輸出位,。

    圖2表示一對多輸出環(huán)形振蕩器和4個輸出位(RO1-1,、RO1-2、RO2-1,、RO2-2),。RO1和RO2的配置向量相同。通過邏輯鎖存器,，RO1-和 RO2-1具有相同的路徑,。所以RO1-和RO2-1(或RO1-2and RO2-2)唯一的區(qū)別就是物理工藝偏差。因此,，RO1-1和 RO2-1(或RO1-2and RO2-2)頻率比較結(jié)果可以作為一個輸出位,。

    在Xilinx FPGA中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3所示,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RO1-1和RO1-2在不同配置向量下的輸出頻率,。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RO1-1和RO1-2的輸出頻率確實(shí)存在差異,。此外,，隨著配置向量的不同，它們的輸出頻率也存在差異,。因此,，驗(yàn)證了多輸出振蕩器結(jié)構(gòu)確實(shí)能有效產(chǎn)生多個輸出位。

    RO1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差在不同配置向量下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,?？梢钥闯觯琑O1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差是不相關(guān)的,。因此,，它們的輸出不相互影響，可以看作兩個獨(dú)立輸出位,。

    表1列出了不同輸出位數(shù)多輸出RO和傳統(tǒng)RO的芯片資源占用情況,。第二列表示不同輸出位數(shù)下，一對多輸出ROs用以產(chǎn)生不同的輸出位的LAB占用數(shù)量,。第三列表示傳統(tǒng)RO產(chǎn)生相對應(yīng)的輸出位數(shù)所占用的LAB數(shù)量,。可以看出,，多輸出RO占用的芯片資源更少,。例如，128位輸出需要65個兩位輸出ROs，占65個LAB,，也可以由33個四位輸出ROs產(chǎn)生,，占99個LAB， 但如果使用傳統(tǒng)的RO結(jié)構(gòu),，則需要129年ROs,，占129個LAB，所占的LAB數(shù)量是最多的,?？梢钥闯觯噍敵鯮O在芯片資源利用率上具有很大的優(yōu)勢,。

2 動態(tài)配置過程模塊

    動態(tài)可配置多路輸出RO PUF的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示,。N個兩位輸出的一對環(huán)形振蕩器（ROs）通過比較相鄰ROs的頻率生成2(N-1)個輸出位。傳感器由五級環(huán)形振蕩器構(gòu)成,，振蕩頻率與環(huán)境溫度和電源電壓成線性關(guān)系^[6],。傳感器主要用于檢測芯片工作情況。為了可以根據(jù)環(huán)境情況動態(tài)調(diào)整相鄰振蕩器的結(jié)構(gòu),，從而確保相鄰的ROs保持一個相對較大的頻率差,，當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，F(xiàn)SM控制器^[7]啟動動態(tài)配置過程從而計(jì)算出在當(dāng)前環(huán)境下的“最優(yōu)配置向量”,。因此,，環(huán)境對輸出位的影響將降低，從而動態(tài)可配置多輸出RO PUF魯棒性得到提高,。

    “最優(yōu)配置向量”不是簡單的產(chǎn)生最大的頻率差的向量,。相反，它是由ROs的頻率差的分布來決定,。對不同配置向量下所有的ROs的正頻率差進(jìn)行求和,。如果上一個ROs的正頻率差大于下一個ROs的正頻率差，表明上下兩對ROs的頻率差為正,，選擇可使正頻率差最大的配置向量作為“最優(yōu)配置向量”,。相反，如果上一個ROs的正頻率差小于下一個ROs的正頻率差,，選擇一個對應(yīng)的負(fù)頻率差最大的配置向量作為“最優(yōu)配置向量”,，從而可以擴(kuò)大上下頻率差的絕對值，進(jìn)而提高比較精度,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    對10個Xilinx Spartan XC3S1000 FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,，數(shù)據(jù)通過快速單一鏈接（Fast Simple Link）接口傳輸?shù)組icroBlaze中進(jìn)行處理。每個FPGA通過65個ROs產(chǎn)生128位的輸出,。每個輸出測量50次。分別對傳統(tǒng)RO PUF,、可配置RO PUF和動態(tài)可配置多輸出RO PUF進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,。

    RO PUF的平均片間漢明距離比例[8]可以表征同一類型PUF電路與其他個體的區(qū)分度,。其計(jì)算方式如式(1)。

    其中h_ij表示第i和第j個PUF電路產(chǎn)生的位輸出相應(yīng),，k是FPGA的個數(shù),。提取數(shù)據(jù)后計(jì)算可得不同RO PUF的平均片間漢明距離比例如表2所示。

    對比以上3種RO PUF對總的位數(shù)輸出相應(yīng)的平均片間漢明距離比例結(jié)果可以看出,，3種RO PUF的平均片間漢明距離比例都接近理想的50%,動態(tài)可配置多輸出RO PUF片間漢明距離比例最高,。但3種RO PUF都表現(xiàn)出良好的唯一性。因此,，3種RO PUF的輸出都可以作為每個芯片ID,。

    片內(nèi)漢明距離可以描述PUF系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，其計(jì)算如式（2）所示,。

    其中,，M為不同工作環(huán)境的個數(shù)，h_ri表示在理想工作條件(25 ℃,，1.2 V)下和第i種工作情況對比條件下的n位輸出響應(yīng),。由于魯棒性和可靠性主要受環(huán)境溫度和電源電壓的影響。讓所使用的Xilinx FPGA分別工作在固定工作環(huán)境下和變化的工作環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)提取,，分別對其片內(nèi)漢明距離進(jìn)行檢測,。

    (1)固定環(huán)境溫度和電源電壓情況下

    在30 ℃，1.2 V接近理想工作環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)提取,，不同RO PUF結(jié)構(gòu)的平均片內(nèi)漢明距離如表3所示,。

    在接近FPGA標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，測試誤差和片內(nèi)噪聲是影響其魯棒性的主要因素^[9],。由表可以看出,，可配置RO PUF可以將該RO PUF對誤差和噪聲影響降至幾乎0。

    (2)變化的環(huán)境溫度和電源電壓情況下

    現(xiàn)實(shí)條件下,，芯片的工作環(huán)境溫度和電源電壓總是在不斷的變化之中,。因此，降低環(huán)境溫度和電源電壓對芯片ID提取的影響意義重大,。表4列出環(huán)境溫度從-30 ℃變化到+70 ℃,，電壓1.15 V變化到1.25 V時，3種RO PUF的平均片內(nèi)漢明距離比例變化情況,。雖然在溫度變化時,，動態(tài)可配置RO PUF在ID提取上沒有很大優(yōu)勢，但是電源電壓改變時,可配置多輸出RO PUF在位翻轉(zhuǎn)率最低,，可更加精確地提取芯片ID,。

4 結(jié)論

    本文結(jié)合針對傳統(tǒng)RO PUF和可配置RO PUF輸出位數(shù)不足，占用芯片資源過多的現(xiàn)實(shí)情況，在可配置RO PUF的基礎(chǔ)上改進(jìn),，提出了動態(tài)可配置多輸出RO PUF,，在提高輸出位數(shù)和節(jié)約芯片資源的同時，還提高了系統(tǒng)的唯一性和魯棒性,，進(jìn)而可提高提取芯片ID的精度,。對應(yīng)用RO PUF進(jìn)行芯片知識產(chǎn)權(quán)（IP核）保護(hù)意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1] SUH G E,，DEVADAS S.Physical unclonable functions for device authentication and secret key generation[C].44th ACM Design Automation Conference,，San Diego，CA,，June 2007：9-14.

[2] PAPPU R,，RECHT B，TAYLOR J,，et al.Physical one-way functions[J].Science,，2002，297（5589）：2026-2030.

[3] MAITI A,，SCHAUMONT P.Improved ring oscillator PUF：An FPGA-friendly secure primitive[J].Journal of Cryptology,，2011，24(2)：375-397.

[4] YIN C E,，QU G,，ZHOU Q.Design and implementation of a group-based RO PUF[C].16th Design Automation and Test in Europe Conference. March 2013，IEEE publisher,，2013：416- 421.

[5] LIM D,，LEE J W.Extracting secret keys from integrated circuits[J].IEEE Transactions on VLSI Systems，2005,，13(10)：1200-1205.

[6] CHAYANIKA R C,，F(xiàn)ATHI A，MOHAMMED N.Impact of temporal variations on the performance and reliability of configurable ring oscillator PUF[C].2016 IEEE National Aerospace and Electronics Conference(NAECON).July 2016,，IEEE publisher 2017：458-463.

[7] HENDRO N.Sliding-mode(SM) and Fuzzy-Sliding-Mode (FSM) controllers for high-precisely linear piezoelectric ceramic motor(LPCM)[C].2013 IEEE International Conference on(ROBIONETICS),，IEEE publisher，2014：62-66.

[8] ABHRANIL M,，PATRICK S.Improving the quality of a physical unclonable function using configurable ring oscillators[C].2009 International Conference on Field Programmable Logic and Applications.Sept.2009,，IEEE publisher，2009：703-707.

[9] BARBA J,，RINC N F,，DONDO J D，et al.More robustness and flexibility for FPGA based networked embedded systems through hardware indirect proxies[C].2014 Conference on Design of Circuits and Integrated Circuits(DCIS) Nov.2014,，IEEE publisher,，2015：26-28.

作者信息：

劉勇聰,，王建業(yè)，丁  浩

（空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,，陜西 西安710051）