一种稳定增强型物理不可克隆函数的制作方法

本发明涉及芯片安全，特别是需要验证芯片真伪和保护存储器数据的物理不可克隆函数。

背景技术：

物理不可克隆函数(puf)被称之为“芯片指纹”技术，在芯片的安全和防伪领域有着巨大的应用前景。通过提取芯片在制造过程中所产生的差异，就能够生成芯片独特的“指纹”信息，这些“指纹”信息即使是芯片的制造商也无法复制和预测。

根据物理不可克隆函数的挑战响应空间，可以将物理不可克隆函数分为强物理不可克隆函数和弱物理不可克隆函数。强物理不可克隆函数的挑战响应空间和芯片面积呈指数关系，而弱物理不可克隆函数的挑战响应空间和芯片面积呈线性关系。由于强物理不可克隆函数的挑战响应空间较大，因此能够同时满足密钥生成应用以及身份认证应用。

无论是密钥生成应用或者身份认证应用，都需要物理不可克隆函数生成稳定不变的响应来支持这些应用。但是物理不可克隆函数的响应并不稳定，即对于同一个物理不可克隆函数，多次输入同样的挑战，输出的响应存在偏差。因此设计出高稳定性的物理不可克隆函数对于构建各种应用十分关键，并且也能够减少后续纠错算法的实现代价。

由meng-dayyu等人在论文“recombinationofphysicalunclonablefunctions”中提出一种基于物理特征值累加和的强物理不可克隆函数，如图1所示。通过挑战将物理单元的特征差值进行正负的取值控制并累加，根据累加和得到一位响应。由于所有物理单元的特征差值都以相同的系数加入累加和，一旦其中一部分特征差值由于环境变化发生比较大的改变，将导致累加和结果也发生剧烈的波动，从而得到错误的响应。

本专利中提出的稳定增强型物理不可克隆函数由挑战值来对物理单元的特征差值进行正负以及系数的取值控制，使得累加和结果更依赖于高系数的特征差值项，从而能够减弱低系数差值项的不稳定性对累加和结果的影响，使得响应在电压温度改变的环境下更稳定。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种稳定增强型物理不可克隆函数，对于基于特征差值累加和结构的物理不可克隆函数，将原挑战进行扩展，由多位挑战来决定特征差值的取值，即除了控制差值的正负，还能控制差值的系数，使得累加和结果更依赖于高系数的特征差值项，从而能够减弱低系数差值项的不稳定性对累加和结果的影响，使得响应在电压温度改变的环境下更稳定。

为解决上述技术问题，本发明提供一种稳定增强型物理不可克隆函数，并给出了采用该方法的一个稳定增强型物理不可克隆函数的实现实例。本发明稳定增强型物理不可克隆函数如下：

(1)稳定增强型物理不可克隆函数包含2n个(n>0)物理单元cell0,cell1,……,cell2n-2,cell2n-1；

(2)测量每个物理单元cell0,cell1,……,cell2n-2,cell2n-1的puf特征结果，记为r0,r1,……,r2n-2,r2n-1；

(3)将所有物理单元分为n组，每组包含两个物理单元cell2i,cell2i+1(0≤i≤n-1)；将两个物理单元的测量结果相减得到结果差值δri＝r2i-r2i+1；

(4)挑战包含s*n比特(s≥2)，对于第i组物理单元cell2i,cell2i+1，对应的挑战位为挑战比特位(s*i)到(s*i+s-1)，记为分组挑战值ci。分组挑战值ci的第j比特记为ci,j(0≤j≤s-1)；

(5)对于第i组物理单元的结果差值δri，由分组挑战值ci进行取值控制，即将结果差值δri乘以一个带符号的非0整数f(f≥1)。

a)分组挑战值ci第0比特ci,0决定f的正负取值

b)分组挑战值ci第1比特ci,1到第(s-1)比特ci,s-1决定f的系数取值

(6)将所有经过取值控制的结果差值相加得到结果差值累加和，根据结果差值累加和得到一位响应。

步骤1中的物理单元，包括但不限于环形振荡器、延时链、开关电阻等。

步骤2中的puf特征，包括但不限于环形振荡器的频率、延时链的延时时间、开关电阻的

阻值等。

步骤4中的挑战包含s*n比特，当原始挑战比特位数少于s*n比特，可以通过线性反馈移位寄存器或者分组算法，但不限于线性反馈移位寄存器或者分组算法，对原始挑战进行扩展。

步骤5中的由分组挑战值ci第0比特ci,0决定f的正负取值的方法。包括如果挑战为1，f的符号为负；如果挑战为0，f的符号为正。

步骤5中的由分组挑战值ci第1比特ci,1到第(s-1)比特ci,s-1决定f的系数取值的方法。包括使得f等于(ci,s-1*2^s-2+…+ci,2*2¹+ci,1*2⁰+1)。

步骤6中根据结果差值累加和得到一位响应的方法。包括当结果差值累加和大于等于某一阈值，则使得响应为1；当结果差值累加和小于某一阈值，则使得响应为0。

下面对稳定增强型物理不可克隆函数的原理进行一下说明：

本发明的方法就是通过物理单元的特征差值累加和来实现物理不可克隆函数。所有物理单元结构在实现时尽可能保持一致，但是由于芯片的固有结构差异和制造差异，制造出的物理单元必然会存在差异，这种差异称为物理单元的特征结果。这样的差异即存在于同一颗芯片的不同物理单元中，也存在于不同芯片的物理单元中。挑战比特位用来对两个物理单元的特征结果差值进行正负以及系数的取值控制。不同的挑战将导致物理单元的特征结果差异以不同取值加入累加和中，从而生成不同的响应。

本发明的有益效果在于：通常来说，物理单元特征结果十分容易受到环境变化的影响，例如电压和温度等。传统基于物理单元特征差值累加和的物理不可克隆函数通过挑战对特征结果差值进行正负的取值控制，所有的特征差值根据挑战以正值或者负值加入累加和，一旦其中一部分特征差值由于环境变化发生比较大的改变，导致累加和结果也发生剧烈的波动，从而得到错误的响应。而本发明中的稳定增强型物理不可克隆函数通过挑战对特征结果差值进行正负以及系数的取值控制，将原挑战进行扩展，一部分挑战控制特征差值以正值或者负值加入累加和，另一部分挑战控制特征差值乘以系数加入累加和。累加和的结果将更依赖于高系数的那些差值项，从而能够减弱低系数差值项的不稳定性对累加和结果的影响，使得响应在电压温度改变的环境下更稳定。参照附图1的结构，平均一半的特征差值的系数为±1，另一半的特征差值的系数为±f，因此后一半的高系数特征差值将对累加和结果起到更大的影响。

本发明在稳定增强型物理不可克隆函数中通过挑战对特征差值进行正负以及系数的取值控制后进行累加，使得累加和结果更依赖于高系数的特征差值项，从而使得响应在电压温度改变的环境下更稳定。

附图说明

图1基于物理特征值累加和的强物理不可克隆函数

图2一种稳定增强型物理不可克隆函数

具体实施方式

如图2实例中的物理单元为环形振荡器，个数为128个。挑战c的长度为64比特，对应一个比特的响应r。

具体的稳定增强型物理不可克隆函数流程如下描述：

步骤1，稳定增强型物理不可克隆函数包含128个环形振荡器ro0,ro1,……,ro126,ro127。

步骤2，测量每个环形振荡器ro0,ro1,……,ro126,ro127的频率，记为r0,r1,……r2n-2,r2n-1。

步骤3，将所有环形振荡器分为64组，每组包含两个环形振荡器ro2i,ro2i+1(0≤i≤63)；将两个环形振荡器的频率测量结果相减得到结果差值δri＝r2i-r2i+1。

步骤4，通过线性反馈移位寄存器将64比特原始挑战c扩展得到128比特挑战c’。对于第i组环形振荡器ro2i,ro2i+1，对应的挑战位为挑战c’的比特位2i到(2i+1)，记为分组挑战值ci。分组挑战值ci的第j比特记为ci,j(0≤j≤1)。

步骤5，对于第i组环形振荡器的结果差值δri，由分组挑战值ci进行取值控制，即将结果差值δri乘以一个带符号的非0整数f。分组挑战值ci第0比特ci,0决定f的正负取值，分组挑战值ci第1比特ci,1决定f的系数取值，即如果挑战ci,0为0、ci,1为0，f等于1；如果挑战ci,0为1、ci,1为0，f等于-1；如果挑战ci,0为0、ci,1为1，f等于2；如果挑战ci,0为1、ci,1为1，f等于-2。

步骤6，将所有经过取值控制的结果差值相加得到结果差值累加和，当结果差值累加和大于等于0，则使得响应为1；当结果差值累加和小于0，则使得响应为0。