基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路的制作方法

本发明涉及一种基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路，属于安全加密技术、打印电子技术和物理不可克隆技术领域。

背景技术：

物理不可克隆函数（physicalunclonablefunction,puf）是一种充分利用物理设备内部随机的物理差异来生成一个不可预测、独一无二且稳定的响应输出。自从二十世纪初puf的概念被提出以来，puf的类型不断丰富，集成度不断提高。随着人们对信息安全领域重视程度的不断提高，各种新型puf的研究成果也不断涌现出来。

基于环形振荡器的物理不可克隆函数属于延时puf，是较为经典的puf电路，由多个反相器构成振荡环，由于制造过程中的不确定性导致同一规格反相器之间存在着延时差异，因此产生随机响应。传统ropuf存在着不少的问题：首先是激励响应对（crps）过少，若想增加输出个数会提升资源占用；其次是安全性较差，反相器中的物理差异是固定的，当攻击者的计算能力足够庞大时，再多的振荡环也会被很快攻破。

打印电子puf技术是采用特定打印机将有机材料或金属材料打印在基板上利用打印机本身细小的打印误差造成的打印材料延展性、电导性的差异来实现物理不可克隆函数。文献《用喷墨打印法直接形成铜导电线路图形》中验证了使用铜粒子油墨在基板上打印时，油墨液滴在特定距离下，导通和不导通存在随机性。这个发现为通过打印电子技术实现物理不可克隆函数提供了可能性。

在ropuf问世以来，有很多对ropuf的改进和优化，本发明和其它改进不一样的点就在于利用打印电子的随机性在ro振荡回路中选择反相器，因此提升了随机性，即使攻击者通过攻击破解了反相器的物理特性，但也无法对puf电路进行完全破解，打印电子和ro是两种不同的物理特性，二者相结合提高了puf的鲁棒性和安全性。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提出了一种基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路，结合了打印电子技术和ropuf技术，形成了一种高可靠性，高安全性，多输出的puf电路。

本发明中主要采用的技术方案为：

基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路，包括pet基板、两组导电圆点单元、第一环形振荡器电路、第二环形振荡器电路、输入选择器和第一逻辑控制单元，其中，

两组所述导电圆点单元采用纳米铜粒子打印在pet基板上呈点阵排列，所述导电圆点单元包括一个输入圆点和两个输出圆点，一组所述导电圆点单元中的两个输出圆点分别连接输出导线l1和输出导线l2，另一组所述导电圆点单元中的两个输出圆点分别连接输出导线l2和输出导线l4，所述输出导线l1和输出导线l3相连，所述输出导线l2和输出导线l4相连；

所述第一环形振荡器电路包括与门、1个第一级反相器、2个第二级反相器、4个第三级反相器、1个一级选择器、2个二级选择器、计数器，所述与门的输出端与所述第一级反相器的输入端连接，所述第一级反相器的输出端连接一级选择器的输入端，所述一级选择器的输出端分别连接两个第二级反相器的输入端，每个所述第二级反相器的输出端分别与一个二级选择器的输入端连接，每个所述二级选择器的两个输出端分别连接一个第三级反相器的输入端，四个所述第三级反相器的输出端均与计数器的输入端和与门的输入端连接，所述第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路结构相同；

输入选择器的输出端分别连接第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中与门的输入端以及两组导电圆点单元中的输入圆点，所述输入选择器的输入端为puf电路的输入；

所述输出导线l1和输出导线l3相连之后分别连接第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中的一级选择器的选择端，所述输出导线l2和输出导线l4相连之后分别连接第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中的两个二级选择器的选择端；

第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中的计数器输出端分别与所述第一逻辑控制单元的输入端连接。

优选地，每组所述导电圆点单元中，输入圆点和两个输出圆点呈三角形排列，输入圆点和两个输出圆点的圆点半径均为40um，所述输入圆点和两个输出圆点间距离分别为80um，两个输出圆点间距离为90um，各组圆点单元之间最小距离为120um。

优选地，所述输入选择器、一级选择器和二级选择器均为二选一选择器。

优选地，所述物理不可克隆函数电路还包括第三环形振荡器电路、第二逻辑控制单元、第三逻辑控制单元和整合单元，所述第三环形振荡器电路与所述第一环形振荡器电路结构相同，所述输入端选择器的输出端连接所述第三环形振荡器电路的与门输入端，所述输出导线l1和输出导线l3相连之后还连接第三环形振荡器电路中的一级选择器的选择端，所述输出导线l2和输出导线l4相连之后还连接第三环形振荡器电路中的两个二级选择器的选择端，所述第三环形振荡器电路中的计数器输出端分别连接第二逻辑单元和第三逻辑单元的输入端，所述第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路的计数器输出端分别连接第二逻辑单元和第三逻辑单元的输入端，所述第一逻辑单元、第二逻辑控制单元和第三逻辑控制单元的输出端分别连接整合单元的输入端。

有益效果：本发明提供基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路，利用打印电子点阵导电的不确定输出来为环形振荡器选择接入电路的反相器，整个puf电路的随机性就包含打印电子点阵导电的随机性和反相器延时的差异，相比较于传统ropuf提高了电路的安全性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的实施例1的电路结构图；

图2是本发明的实施例2的电路结构图；

图3是本发明的导电圆点单元结构图；

图4是本发明的导电圆点单元的具体连接示意图；

图5是本发明的导电圆点单元的点阵排布图；

图中：输入圆点1、输出圆点2、第一环形振荡器电路3、第二环形振荡器电路4、第三环形振荡器电路5、与门6、输出导线l1、输出导线l2、输出导线l3、输出导线l4、第一级反相器a、第二级反相器b、第三级反相器c、一级选择器mux1、二级选择器mux2、输入选择器mux3。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

基于打印电子技术的环形振荡器物理不可克隆函数电路，如图1所示，包括pet基板、两组导电圆点单元、第一环形振荡器电路3、第二环形振荡器电路4、输入选择器mux3和第一逻辑控制单元，其中，

两组所述导电圆点单元采用纳米铜粒子打印在pet基板上呈点阵排列，所述导电圆点单元包括一个输入圆点1和两个输出圆点2，一组所述导电圆点单元中的两个输出圆点2分别连接输出导线l1和输出导线l2，另一组所述导电圆点单元中的两个输出圆点2分别连接输出导线l2和输出导线l4，所述输出导线l1和输出导线l3相连，所述输出导线l2和输出导线l4相连；

所述第一环形振荡器电路包括与门6、1个第一级反相器a、2个第二级反相器b、4个第三级反相器c、1个一级选择器mux1、2个二级选择器mux2、计数器，所述与门6的输出端与所述第一级反相器a的输入端连接，所述第一级反相器a的输出端连接一级选择器mux1的输入端，所述一级选择器mux1的输出端分别连接两个第二级反相器b的输入端，每个所述第二级反相器b的输出端分别与一个二级选择器mux2的输入端连接，每个所述二级选择器mux2的两个输出端分别与一个第三级反相器c的输入端连接，四个所述第三级反相器的输出端均分别与计数器的输入端和与门6的输入端连接，所述第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路结构相同；

输入选择器mux3的输出端分别连接第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4中与门6的输入端以及两组导电圆点单元中的输入圆点，所述输入选择器mux3的输入端为puf电路的输入；

所述输出导线l1和输出导线l3相连之后分别连接第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4中的一级选择器mux1的选择端，所述输出导线l2和输出导线l4相连之后分别连接第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中的两个二级选择器mux2的选择端；

第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4中的计数器输出端分别与所述第一逻辑控制单元的输入端连接。

优选地，如图1和2所示，每组所述导电圆点单元中，输入圆点1和两个输出圆点2呈三角形排列，输入圆点1和两个输出圆点2的圆点半径均为40um，所述输入圆点和两个输出圆点间距离(d1和d2)分别为80um，两个输出圆点间距离（d3）为90um，各组圆点单元之间最小距离为120um。

优选地，所述输入选择器mux3、一级选择器mux1和二级选择器mux2均为二选一选择器。

优选地，如图2所示，所述物理不可克隆函数电路还包括第三环形振荡器电路5、第二逻辑控制单元、第三逻辑控制单元和整合单元，所述第三环形振荡器电路5与所述第一环形振荡器3电路结构相同，所述输入端选择器mux3的输出端连接所述第三环形振荡器电路5的与门6输入端，所述输出导线l1和输出导线l3相连之后还连接第三环形振荡器电路5中的一级选择器mux1的选择端，所述输出导线l2和输出导线l4相连之后还连接第三环形振荡器电路5中的两个二级选择器mux2的选择端，所述第三环形振荡器电路5中的计数器输出端分别连接第二逻辑单元和第三逻辑单元的输入端，所述第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4的计数器输出端分别连接第二逻辑单元和第三逻辑单元的输入端，所述第一逻辑单元、第二逻辑控制单元和第三逻辑控制单元的输出端分别连接整合单元的输入端。

实施例1

如图1所示，本实例中，两组导电圆点单元中的输入圆点1和输出圆点2的圆点半径均为40um，输入圆点1和输出圆点2间距离为80um，两个输出圆点的距离为90um，圆点单元间的最小距离为120um；共有两条环形振荡器电路（第一环形振荡器电路和第二环形振荡器电路），两组导电圆点单元的输出导线l1和输出导线l3相连之后分别连接第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4中的一级选择器的选择端，输出导线l2和输出导线l4相连之后分别连接第一环形振荡器电路3和第二环形振荡器电路4中的两个二级选择器的选择端；两组圆点单元的输出导线分别控制两条环形振荡器的第二级和第三级接入哪个反相器，每次输入变化接入环形振荡器电路的反相器不尽相同，每条环形振荡器电路有4种通路，每条环形振荡器电路中由计数器采集电路的频率，两个计数器的输出端分别接第一逻辑控制单元的输入端，第一逻辑控制单元将两条环形振荡器电路的电流频率进行比较得到1位二进制数输出结果。

实施例2

图2所示，本实例中，两组导电圆点单元中的输入圆点和输出圆点的圆点半径均为40um，输入圆点和输出圆点间距离为80um，两个输出圆点的距离为90um，圆点单元间的最小距离为120um；共有三条环形振荡器电路（第一环形振荡器电路、第二环形振荡器电路、第三环形振荡器电路），两组导电圆点单元的输出导线l1和输出导线l3相连之后分别连接第一环形振荡器电路、第二环形振荡器电路和第三环形振荡器电路中的一级选择器的选择端，输出导线l2和输出导线l4相连之后分别连接第一环形振荡器电路、第二环形振荡器电路和第二环形振荡器电路中的两个二级选择器的选择端；两组圆点单元的输出导线分别控制三条环形振荡器的第二级和第三级接入哪个反相器。每条环形振荡器电路中由计数器采集电路的频率，随后第一环形振荡器的频率分别通过第一逻辑控制单元和第二逻辑控制单元与第二环形振荡器电路和第三环形振荡器电路的频率对比，第二环形振荡器的频率通过第三逻辑控制单元与第三环形振荡器电路的频率进行对比，由此得到三个比较结果，将三个比较结果通过输出整合电路输出3位二进制输出结果。实施例2的电路增加了输出位数，且随着环形振荡器条数的增加，输出位数是成倍数增加的。由此可得，本发明所使用的环形振荡器链长度不长，但比长度很大的ropuf随机性更强。相比较于普通ropuf，本发明提高了资源利用率、减少了功耗和提高了安全性。相较于普通的ropuf改进电路提高了资源利用率、增加了可靠性。

本发明中puf电路的打印电子单元可以进行深层次利用，实施例1和2中只通过二选一选择器控制了两组打印电子单元，如图3所示，可利用fpga来实现对大规模点阵单元的控制，从而控制更多条的环形振荡器，在本发明基础上提高安全性、增加输出位数和提高资源利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。