生成稳定PUF响应的方法及电路与流程

本发明属于puf技术领域，更具体地，涉及一种生成稳定puf响应的方法及电路。

背景技术：

physicalunclonablefunctions(puf)技术是当今半导体安全技术的最新突破。puf系统是一组微型的电路，通过提取ic制造过程中不可避免产生的个体差异，生成无限多个、特有的密钥，这些密钥不可预测和安排，永久存在，即使是芯片的制造商也无法仿制。和传统安全解决方案不同的是，puf技术可以为每个动态生成无限多的、特有的、一次性的密钥，无需为加密而储存密钥，因而在安全防伪领域具有巨大的应用前景。

然而，也正是由于用来生成密钥的电路器件采用了相同的图形和尺寸设计以及相同的生产工艺，其相关参数尽管不可避免地存在一定偏差，但这种偏差往往非常微弱，这导致puf电路单元在相同的激励下产生不同密钥值的情况时有发生，例如，对于同一激励，在某一时刻产生密钥0，在另一时刻又产生密钥1，因而严重影响了puf技术的可靠性，极大地限制了puf技术的进一步推广应用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生成稳定puf响应的方法及电路，能有效避免由电路器件间的微弱差异导致产生的密钥值不稳定造成的不良影响，因而能显著提高puf技术的可靠性，且电路结构简单。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种生成稳定puf响应的方法，其特征在于，包括登记阶段和生成阶段；

在所述登记阶段，根据初始阈值选择信号设置若干初始比较阈值，依次采用所述初始比较阈值对工艺偏差信号进行比较生成若干初始响应信号；根据所述若干初始响应信号进行判决，确定当前输入的激励信号对应的稳定响应信号；根据所述稳定响应信号对所述若干初始比较阈值进行修正，生成若干判决比较阈值和与之对应的判决阈值选择信号；将所述判决阈值选择信号和与之对应的激励信号存储于非易失性存储器中，完成对当前激励信号的登记；

在所述生成阶段，根据当前输入的激励信号，从非易失性存储器中查找与之对应的判决阈值选择信号，按照所述判决阈值选择信号设置若干判决比较阈值；依次采用所述判决比较阈值对工艺偏差信号进行比较生成若干判决响应信号；根据所述若干判决响应信号进行判决，生成当前激励信号对应的稳定响应信号。

优选地，所述若干初始比较阈值将puf电路对应的工艺偏差范围划分为若干区间，每个区间对应特定的若干初始响应信号和一个稳定响应信号；

在所述登记阶段，根据生成的若干初始响应信号确定当前输入的激励信号产生的工艺偏差所在的区间，进一步地确定其对应的稳定响应信号。

优选地，在所述登记阶段，对生成的初始响应信号进行多次采样，每次采样使用初始阈值选择信号设置相同的若干初始比较阈值，多次采样结果中选取数目最多的一组响应信号为初始响应信号。

优选地，在所述登记阶段，根据所述稳定响应信号对所述若干初始比较阈值进行修正，将其中可能产生不稳定响应的比较阈值除去，或者替换为能够产生所述稳定响应信号的比较阈值，生成所述若干判决比较阈值和与之对应的判决阈值选择信号。

优选地，在所述生成阶段，选取所述若干判决响应信号中数目较多的响应信号作为当前激励信号对应的稳定响应信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种生成稳定puf响应的电路，其特征在于，包括puf电路、控制电路和非易失性存储器；

所述puf电路包括puf信号产生电路、判决电路和比较阈值设置电路；

所述puf信号产生电路用于根据输入的激励信号产生工艺偏差信号；所述控制电路用于根据初始阈值选择信号，控制所述比较阈值设置电路设置若干初始比较阈值；所述判决电路用于采用所述若干初始比较阈值生成若干初始响应信号；所述控制电路还用于根据所述若干初始响应信号进行判决，确定当前输入的激励信号对应的稳定响应信号，并根据所述稳定响应信号对所述若干初始比较阈值进行修正，生成若干判决比较阈值以及与之对应的判决阈值选择信号，并将所述判决阈值选择信号和与之对应的激励信号存储于非易失性存储器中，完成对当前激励信号的登记。

优选地，所述控制电路还用于根据当前输入的激励信号，从非易失性存储器中查找与之对应的判决阈值选择信号，控制所述比较阈值设置电路按照所述判决阈值选择信号设置若干判决比较阈值；所述判决电路还用于依次采用所述判决比较阈值进行比较生成若干判决响应信号；所述控制电路还用于根据所述若干判决响应信号进行判决，生成当前激励信号对应的稳定响应信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：puf响应的生成包括登记阶段和生成阶段。在登记阶段，设置若干初始比较阈值，依次进行比较生成若干初始响应信号，根据初始响应信号确定当前输入的激励信号对应的稳定响应信号，再对初始比较阈值进行修正，生成判决比较阈值和判决阈值选择信号，存储于非易失性存储器中。在生成阶段，根据输入的激励信号，查找已登记的判决阈值选择信号，设置若干比较阈值，依次进行比较生成若干判决响应信号，再根据判决响应信号生成最终响应信号。本发明能代替复杂的纠错电路以生成稳定的puf响应，节省电路成本，尤其适用于包含非易失性存储器的电路系统。

附图说明

图1是本发明实施例的生成稳定puf响应的方法在登记阶段的工作流程示意图；

图2是本发明实施例的生成稳定puf响应的方法在生成阶段的工作流程示意图；

图3是本发明实施例的生成稳定puf响应的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种生成稳定puf响应的方法，包括登记阶段和生成阶段。

如图1所示，本发明实施例在登记阶段对当前输入的激励信号进行登记的步骤包括：

(1)输入激励信号至puf电路，puf电路根据当前的激励信号产生对应的工艺偏差信号，用于比较生成响应信号。

(2)按照初始阈值选择信号依次设置n个初始比较阈值。上述n个初始比较阈值将puf电路对应的工艺偏差范围划分为n+1个区间，每个区间对应特定的n个初始响应信号和1个稳定响应信号。

(3)puf电路依次采用上述n个初始比较阈值，对工艺偏差信号进行比较，生成n个初始响应信号。进一步地可采用上述n个初始比较阈值进行多次比较，选取出现概率最大的一组n个响应信号为初始响应信号。

(4)根据上述生成的n个初始响应查找其对应的工艺偏差区间，进一步确定其对应的稳定响应信号。

(5)根据上述确定的稳定响应信号，对n个初始比较阈值进行修正，将其中可能产生不稳定响应的比较阈值除去，或者替换为能够产生上述稳定响应信号的比较阈值，生成m个判决比较阈值，以及与上述m个判决比较阈值对应的判决阈值选择信号。

(6)将上述生成的判决阈值选择信号和与之对应的当前激励信号存储于非易失性存储器中，完成对当前激励信号的登记。

如图2所示，本发明实施例在生成阶段产生当前输入的激励信号对应的稳定响应信号的步骤包括：

(1)输入激励信号至puf电路，puf电路根据当前的激励信号产生对应的工艺偏差信号，用于比较生成响应信号。

(2)从非易失性存储器中查找并读取当前输入的激励信号对应的判决阈值选择信号。

(3)根据上述判决阈值选择信号依次设置m个判决比较阈值。

(4)puf电路依次采用上述m个判决比较阈值，对工艺偏差信号进行比较，生成m个判决响应信号。

(5)根据上述生成的m个判决响应信号，选取其中数目较多的一个响应信号为当前激励信号对应的稳定响应信号。

如上所述，本发明实施例利用若干比较阈值来确定和生成激励信号对应的稳定响应信号，其中，n和m均为大于或等于1的整数。下面对采用3个初始比较阈值和3个判决比较阈值的方法进行说明。

如图3所示，初始阈值选择信号对应的3个初始比较阈值分别为-vth、0、+vth，相邻两个比较阈值之间的差值为vth。vth的取值应足够大，防止采用相邻的两个比较阈值进行比较都产生不稳定响应的情况。上述3个初始比较阈值将puf电路对应的工艺偏差范围分为4个区间，分别为s1、s2、s3、s4。其中，s1代表puf电路输入某个激励信号产生的工艺偏差信号之间的差异小于-vth，s2代表上述差异大于-vth而小于0，s3代表上述差异大于0而小于+vth，s4代表上述差异大于+vth。

若当前输入的激励信号对应的工艺偏差位于s1区间，其产生的工艺偏差信号之间的差异小于-vth，采用-vth、0、+vth进行比较时，产生的3个响应信号为000，因此规定s1区间对应的3个初始响应信号为000。若当前输入的激励信号对应的工艺偏差位于s2区间，采用-vth进行比较产生的响应信号为1，采用0、+vth进行比较时产生的两个响应信号为00，因此规定s2区间对应的3个初始响应信号为100。依次类推，s3和s4区间对应的初始响应信号分别110、111。

s1和s2区间对应的工艺偏差小于0，规定其对应的稳定响应信号为0。s3和s4区间对应的工艺偏差大于0，规定其对应的稳定响应信号为1。根据登记阶段生成的3个初始响应信号，可将当前输入的激励信号对应到上述4个的区间中的1个，进一步确定其对应的稳定响应信号。

考虑到环境条件改变带来的不稳定因素，当puf电路产生的工艺偏差信号之间的差异较小时，puf电路可能会产生不稳定的响应，即在某些环境条件下产生响应0，而在另外一些环境条件下产生响应1。因此，随着环境条件改变，输入的激励信号可能产生与初始响应信号不同的响应信号，进一步产生不同的稳定响应信号。

s1区间中某些对应工艺偏差在-vth附近的激励信号，在典型环境条件下采用-vth进行比较产生的响应信号为0，但环境条件改变时，产生的响应信号可能变为1。而vth的取值足够大，保证采用0和+vth进行比较时产生稳定响应00。因此，s1区间对应的激励信号采用3个初始比较阈值进行比较，可能产生的响应信号为000和100。s2区间对应的激励信号采用-vth和0进行比较时，可能产生不稳定响应，对应可能产生的响应信号为000、100和110。依次类推，s3区间对应的激励信号可能产生的响应信号为100、110和111，s4区间对应的激励信号可能产生的响应信号为110和111。

生成阶段若同样采用3个判决比较阈值进行比较，则生成3个判决响应信号，选取其中数目较多的一个响应信号为稳定响应信号。若3个判决比较阈值与上述3个初始比较阈值相同，s1区间对应的激励信号可能产生的响应信号为000和100，0的数目始终比1多，产生的稳定响应信号为0，与上述规定的稳定响应信号一致。同理，s4区间对应的激励信号能够产生稳定响应信号1。因此，s1和s4区间对应的3个判决比较阈值可选择保持与初始比较阈值相同。但s2和s3区间对应的激励信号产生的响应信号同时存在0比1多和1比0多的可能性，因此无法保证能够产生稳定的响应信号，需要对初始比较阈值进行修正。

s2区间规定的稳定响应信号为0，但s2区间对应的激励信号采用-vth和0进行比较时，可能产生不稳定响应。若响应信号为000或100，则可以产生稳定响应信号0。若响应信号为110，则产生的稳定响应信号为1。为了避免产生响应信号110，可将3个初始比较阈值中第二个比较阈值0替换为+vth，即产生的3个判决比较阈值为-vth、+vth、+vth。s2区间对应的激励信号采用上述3个判决比较阈值进行比较，可能产生的响应为000和100，进一步生成的稳定响应信号为0。同理，也可将第一个比较阈值-vth替换为+vth，产生的3个判决比较阈值为+vth、0、+vth，可能产生的响应为000和010，进一步生成的稳定响应信号同样为0。因此，对初始阈值的修正存在多种选择。依次类推，s3区间对应的判决比较阈值可以为修正为-vth、-vth、+vth或其它选择。修正为-vth、-vth、+vth时，可能产生的响应信号为110或111，进一步生成的稳定响应信号为1。详细的稳定响应判决数据如下表1所示。

如上所述，通过对比较阈值进行修正，用能够产生稳定响应的比较阈值替换可能产生不稳定响应的比较阈值，确保始终产生相同的稳定响应信号。

表1

本发明实施例提供了一种生成稳定puf响应的电路，如图3所示，包括puf电路100、控制电路101和非易失性存储器102。puf电路100包括puf信号产生电路103、判决电路104和比较阈值设置电路105。

控制电路101连接至puf电路100和非易失性存储器102。puf信号产生电路103连接至判决电路104，比较阈值设置电路105连接至判决电路104。激励信号输入至控制电路101，控制电路101输出响应信号。

puf信号产生电路103根据输入的激励信号产生工艺偏差信号，判决电路104比较上述工艺差异信号产生响应信号。比较阈值设置电路105可设置不同的比较阈值，判决电路104采用上述不同的比较阈值进行比较，产生不同的响应信号。例如，puf电路若采用仲裁器puf，则工艺偏差信号为两条相同延迟路径产生的两个具有不同的延迟的信号，判决电路比较两个信号的延迟大小产生响应信号，比较阈值设置电路通过在两条延迟路径上叠加额外的延迟产生不同的比较阈值。puf电路若采用振荡器puf，则工艺偏差信号为两个相同振荡器单元产生的两个具有不同频率的时钟信号，判决电路在一定时间内对两个时钟信号的周期数进行计数，然后比较计数结果产生响应信号，比较阈值设置电路通过在计数结果上叠加额外的周期个数产生不同的比较阈值。

控制电路101根据初始阈值选择信号，控制比较阈值设置电路105设置若干初始比较阈值，进一步生成若干初始响应信号。控制电路101根据上述初始响应信号确定稳定响应信号，进一步对初始比较阈值进行修正生成若干判决比较阈值以及与之对应的判决阈值选择信号。控制电路101将上述判决比较阈值和与之对应的激励信号存储于非易失性存储器102中。

下面进一步对如表1所示的利用3个比较阈值确定以及生成稳定响应信号时，电路的工作过程进行详细说明。

本发明实施例对若干激励信号进行登记的步骤包括：

(1)输入当前的激励信号至控制电路101，控制电路101将上述激励信号输入至puf信号产生电路103。puf信号产生电路103根据当前输入的激励信号产生对应的工艺偏差信号，输出至判决电路104用于比较。

(2)控制电路101提取初始阈值选择信号，根据初始阈值选择信号控制比较阈值设置电路105依次设置3个初始比较阈值-vth、0、+vth。-vth、0、+vth将puf信号产生电路103产生的工艺偏差信号对应的工艺偏差范围划分为4个区间，分别为s1、s2、s3、s4，对应的初始响应信号依次为000、100、110、111，对应的稳定响应信号依次为0、0、1、1。

(3)判决电路104依次采用上述3个初始比较阈值-vth、0、+vth对puf信号产生电路103产生的工艺偏差信号进行比较，生成3个初始响应信号。控制电路101可采用上述3个初始比较阈值控制判决电路104进行多次比较采样，选取出现概率最大的一组3个响应信号为当前输入的激励信号对应的初始响应信号。

(4)控制电路101根据上述确定的3个初始响应信号，查找当前输入的激励信号对应的工艺偏差区间，进一步确定其对应的稳定响应信号。例如，若当前激励信号产生的3个初始响应信号为100，则对应到s2区间，s2区间对应的稳定响应信号为0，则确定当前激励信号对应的稳定响应信号为0。

(5)控制电路101根据上述确定的稳定响应信号，对3个初始比较阈值进行修正，将其中可能产生不稳定响应的比较阈值除去，或者替换为能够产生上述稳定响应信号的比较阈值，生成3个判决比较阈值以及与上述3个判决比较阈值对应的判决阈值选择信号。例如，若当前激励信号对应到s2区间，尽管登记过程中产生的3个初始响应信号为100，但后续提取响应的过程中随着环境条件的改变，可能的产生的响应包括000、100和110，进一步产生的稳定响应信号可能为0，也可能为1，具有不确定性。为了能够生成稳定响应0，则可将3个初始比较阈值中的0替换为+vth，生成判决比较阈值-vth、+vth、+vth，进一步生成上述判决比较阈值对应的判决阈值选择选择信号。

(6)控制电路101将上述生成的判决阈值选择信号和与之对应的当前激励信号存储于非易失性存储器102中，完成对当前激励信号的登记。

(7)按照上述步骤，进一步的输入其它激励信号，完成对若干激励信号的登记，生成并存储若干判决阈值选择选择信号。

本发明实施例生成若干稳定响应信号的步骤包括：

(1)输入当前的激励信号至控制电路101，控制电路101将上述激励信号输入至puf信号产生电路103。puf信号产生电路103根据当前输入的激励信号产生对应的工艺偏差信号，输出至判决电路104用于比较。

(2)控制电路101从非易失性存储器102中查找当前输入的激励信号，并读取与之对应的判决阈值选择信号。

(3)控制电路101根据提取的判决阈值选择信号，控制比较阈值设置电路105依次设置对应的3个判决比较阈值。例如，若当前激励信号对应上述的s2区间，登记的判决阈值选择信号对应的3个判决比较阈值为-vth、+vth、+vth，则比较阈值设置电路105依次设置上述3个判决比较阈值。

(4)判决电路104依次采用上述3个判决比较阈值对puf信号产生电路103产生的工艺偏差信号进行比较，生成3个判决响应信号。例如，若当前激励信号对应s2区间，采用3个判决比较阈值-vth、+vth、+vth生成3个判决响应信号只可能为000或100。

(5)控制电路101根据上述生成的3个判决响应信号，选取其中数目较多的一个响应信号为当前激励信号对应的稳定响应信号。例如，若当前激励信号对应s2区间，生成的3个判决响应为000或100，其中0的数目均多于1，则确定对应的稳定响应信号为0。

(7)按照上述步骤，进一步的输入其它激励信号，生成若干稳定响应序列。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。