一种基于四管电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路的制作方法

本发明涉及芯片安全技术领域，特别涉及一种基于四管电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路。

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背景技术：
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对于硬件安全性的安全密钥数据存储，物理不可克隆函数(puf)作为轻量级安全密钥已经显示出巨大的可能性，其密钥的产生源自半导体制造过程的不可避免的工艺误差。与将私钥存储在非易失性存储器(nvm)中的传统加密/解密算法相比，puf能够利用不可控制和不可预测的设备制造工艺误差来产生独特，随机和可靠的响应，其有着更强的鲁棒性。能有效对抗广泛的侵入性或半侵入性攻击。考虑到车联网或者雾计算应用中的恶劣环境因素以及片上资源的不足，高可靠性，低功耗和面积利用率已成为当今puf设计的关键要素。现如今，人们已经提出了许多最先进的硅puf来应对这些挑战。在文献1中，作者提出了基于互补电流镜的单稳态和全静态puf。尽管如此，这种puf仅能在25℃～80℃和0.7v～1.0v的相对较窄的温度/电源电压范围内表现出令人满意的可靠性。在文献2中，提出了一种超紧凑且高鲁棒性的弱puf，它利用一对超紧凑模拟电路，输出响应与绝对温度(ptat)成比例。在这个设计中，由于puf对温度和电源电压变化有着很强的可靠性，两个ptat电路的输出电压之间的差异主要取决于晶体管阈值电压的差异。但是，该设计在工作温度范围为0℃至80℃内，其平均可靠性只有96.5％。在文献3中，首先给出了基于电压基准源阵列的puf设计思路。这种puf设计的能量效率为0.16pj/bit，在0.8v至1.4v的电源电压变化范围内实现了98.17％的高可靠性，在0℃至80℃的温度变化范围内实现了97.60％的高可靠性。然而，由于采用基于双向计数器的异步模数转换方案，puf的工作速度受到限制，并且puf的工作温度和电源电压范围相对较窄。关于最近的文献4，虽然在正常条件下实现了低ber，但它消耗的能耗为3.6pj/bit。

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技术实现要素：
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本发明目的在于提供一种基于四管电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路。

为了实现上述目的，该电路结构包括：外部激励源、列译码器、行译码器、一个16乘16电压基准源阵列、选择器、电压比较器；其中，电压基准源阵列共包含了256个基础单元，每一行或每一列都由16个基础单元组成，而每个基础单元包含有2个电压基准源；列译码器输出端与电压基准源阵列的列输入端相连，从而提供阵列的列选信号；行译码器输出端与电压基准源阵列的行输入端相连，从而提供阵列的行选信号；两个电压基准源阵列输出端分别与选择器输入端连接，通过选择器，每个译码器将从所控制的电压基准源阵列中随机选取一列或一行，经过译码器的行选与列选，一个基础单元将被选中，然后其产生的两个电压传送到电压比较器上，最后由比较器对两个电压值进行比较后输出相应的结果，即“0”或“1”信号。

进一步地，每个电压基准源由4个不同阈值电压的nmos晶体管组成，包含两个增强型nmos晶体管用作电流负载，两个低阈值电压的nmos晶体管形成scm结构。

进一步地，所有晶体管都在工作在亚阈值区域。

进一步地，所述列译码器以及行译码器均为4-16译码器。

与现有技术相比，本发明提出了一种基于4个晶体管并且全偏置亚阈值电压参考的新型puf电路，电压基准源固有地表现出对温度和电源电压变化的超低灵敏度，这就使得puf设计的可靠性显着提高。并且，与传统的带隙电压基准源相比，偏置在亚阈值区的全mosfet电压基准源结构具有微瓦级功耗和紧凑的布局设计，可以很好地满足物联网设备的低功耗和低成本要求。

[附图说明]

图1为本发明puf的整体结构。

图2为本发明puf设计的电路框架。

图3为本发明基础单元结构示意图。

图4为本发明电压基准源结示意图。

图5为本发明电压基准源nmos与pmos的电流小信号模型。

图6(a)为基于256个实例仿真得到的电压vref随温度的变化而变化的情况；6(b)为电压vref随着电压的变化而变化的情况。

图7为本发明单个puf实例中其256个电压基准源的电压分布情况。

图8为本发明该puf设计的温度可靠性。

图9为本发明该puf设计的电压可靠性。

图10为本发明该puf设计的唯一性仿真结果。

[具体实施方式]

为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明。

实施例：

如图1-3所示，本发明的高可靠性物理不可克隆函数电路，其由16×16电压基准源阵列，高速和高精度的数字比较器以及行/列译码器组成。具体而言，基础单元包含两个电压基准源。当列译码器、行译码器被启用以通过输入询问随机选择一个基础单元时，两个所选电压参考的输出电压将被输入到比较器。由于随机制造工艺的变化，上述两个输出电压将略有不同。然后通过比较两个不同的输出电压,即v0和v1,产生数字puf响应。所提出的基础单元的示意图如图3所示。通过使不同类型的mosfet偏置在亚阈值区域，实现了具有微小功耗的亚阈值电压基准源。本发明提出的puf设计中，每个参考基准源由4个具有不同阈值电压的nmos晶体管组成。两个增强型nmos晶体管用作电流负载，两个低阈值电压的nmos晶体管形成scm(自偏置mosfet)结构。为了降低总功耗，所有晶体管都在工作在亚阈值区域。结果，电压参考的电流可以表示如下：

其中μ是电荷载流子迁移率，cox是栅极电容密度，w/l是有效宽度和长度，vth是阈值电压，m是亚阈值斜率因子，vt是热电压。值得注意的是，当电压vds>150mv时，公式(1)中的可以忽略不计。然后电流流过四个晶体管可以简化表达如下：

其中w2和l2是m2的有效通道宽度和长度，w4和l4分别是m4的有效通道宽度和长度。结合公式(2)和公式(3)，电压参考vref的输出相当于：

通过适当的尺寸调整，我们可以最小化温度对vref输出电压的影响，并使约等于0，这对应于vr在大温度范围内的优异稳定性。值得注意的是，从公式4中，我们可以计算出这证明了我们对电源电压变化的有着很强的鲁棒性。

对于图3所示的电压参考，vref的psrr等于：

如果vref/vdd被最小化，那么电压基准源就可以实现对电源电压变化的出色可靠性。如图5所述，我们可以：

其中gds和gms分别是晶体管的源极跨导和漏极电导。由于gms大于gds，(vref/vdd)pmos大于(vref/vdd)nmos。因此，nmos被用作电流负载而不是pmos，以提高对电源电压变化的稳定性。

此外，倘若为两个增强型nmos，可以给出如下：

因此，通过添加一个增强型nmos，vref/vdd的值进一步降低了这可以进一步提高稳定性，同时能适应较大的电源电压变化范围。

仿真结果如下：

本发明puf设计实施例使用标准的65nmcmos工艺实现。在图6中，分别给出了电压基准单元的输出电压随着不同温度和电源电压的变化而变化的情况。本文所设计的电压基准源可以达到81.9ppm/℃的平均温度系数(tc)，温度范围为-40℃至140℃，这是根据256次蒙特卡罗模拟运行计算得出的，无需修整。同时，电压基准源表现出了与电源电压变化(从0.8v到1.4v)的弱相关性，其模拟仿真结果如图9所示。如图7所示，呈现单个puf实例中的256个电压参考的分布，其中最佳拟合高斯曲线具有317.5mv的平均值μ和20.8mv的标准偏差δ。

可靠性，可靠性表明puf能够抵抗芯片工作环境条件的变化，例如温度和电源电压的变化。puf实例的可靠性s可以从片内汉明距离(hd)计算。通常，在正常操作条件下对任意挑战的n位响应ri被用作参考。然后在不同的操作条件下将相同的挑战k次应用于相同的puf实例以获得k个响应，表示为ri，j表示j＝1,2，···，k，并且可靠性s可以如下计算：

在本实施例中，模拟了不同工作温度(-40℃至140℃)和各种电源电压(0.8v至1.4v)下的可靠性。如图8、9所示，在-40℃时最差的原始可靠性为98.44％，在1.4v时为97.27％。同时，该puf设计分别在上述温度范围和电源电压范围内实现了99.30％和98.94％的平均可靠性。

唯一性，唯一性表征从特定puf实例生成的crp与其他实例的可区分程度，理想情况下等于50％并且通常由片间hd评估，如下所示：

其中ru和rv是由puf芯片u和v分别用相同的挑战产生的n比特响应，并且m是puf实例的总数。基于蒙特卡罗模拟，在相同的操作环境和相同的挑战下生成1000个puf实例。如图10所示，puf间hd分布通过高斯曲线很好地拟合，其中平均值μ＝0.4998，标准偏差σ＝0.0337，这对应于49.98％的极好的唯一性。

随机性是指puf生成随机信息源的能力，这是加密密钥管理和设备识别/认证应用的重要特征。这里使用广泛采用的nist测试套件评估所提出的puf设计的随机性，并使用文献3中使用的推荐设置。值得注意的是，由于数据比特流大小有限，一些测试无法进行。通常，p值应大于0.01，其产生的信息源才能被视为随机的，置信水平高达99％。基于从20个puf实例生成的1000个crp，nist测试结果总结在表i中，其中p值在第11列中计算。根据测试结果，所提出的puf已通过所有列出的测试项目，所有p值均大于0.01。

表inist测试结果

比较

表ii将提出的puf设计与其他最新的puf实施方案进行了比较。我们提出的puf在宽温度和电源电压范围内具有出色的唯一性和可靠性。然而，这种puf设计消耗0.84pj/位的能量效率，这主要是因为数字比较器的高动态功耗以及电压基准源阵列较高的静态功耗。但是我们利用这种比较器的高速和高精度来保证对环境变化的出色可靠性，这一点对于物联网所涉及到的设备来说具有重大的意义。

表ii本puf与最近puf结构性能对比表

¹只列出来inv_puf,sa_puf有着相似的性能。

²从列出来的ber中进行推断得出。

与现有的puf结构相比，我们提出的puf结构在更加宽广温度和电源电压范围内具有出色的唯一性和可靠性具体而言，在-40℃～140℃的温度范围内，其平均可靠性高达99.30％，在0.8v～1.4v的电源电压范围内也非常可靠，平均可靠性高达98.94％。在正常条件下(即27℃的温度和1.2v的电源电压)，在20mb/s的吞吐量下，其能量效率计算为0.84pj/位。

凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

参考文献

文献1：a.alvarez,w.zhao,andm.alioto,“15fj/bstaticphysicallyunclonablefunctionsforsecurechipidentificationwith<2％nativebitinstabilityand140inter/intrapufhammingdistanceseparationin65nm”,inissccdig.tech.papers,feb.2015,pp.1-3.

文献2：j.li,andm.seok,“ultra-compactandrobustphysicallyunclonablefunctionbasedonvoltage-compensatedproportional-to-absolutetemperaturevoltagegenerators”,ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.51,no.9,pp.2192-2202,sep.2016.

文献3：y.caoetal.,“asub-picojoulesperbitrobustphysicalunclonablefunctionbasedonsubthresholdvoltagereferences”,2018ieeeinternationalsymposiumoncircuitsandsystems(iscas),florence,italy,2018,pp.1-5.

文献4：j.lee,d.lee,y.leeandy.lee,“a445f2leakage-basedphysicallyunclonablefunctionwithlosslessstabilizationthroughremappingforiotsecurity,”inproc.ieeeint.solid-statecircuitsconf.,2018,pp.132-134.