基于锁存型电压灵敏放大器puf的aes密钥产生结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型使用一种StrongARM型锁存灵敏放大器作为PUF (Physical Unclon油le F^mction，物理不可复制结构），设计了可 W 为 AES (Advanced Elncryption Standard,高级加密标准算法）加解密模块产生密钥的结构。
【背景技术】
[0002] 21世纪是信息的时代，一方面，信息技术和相关产业高速发展，呈现出空前繁荣的 景象；另一方面，危害信息安全的事件不断发生，威胁国家安全和社会稳定，因此，必须采取 措施确保我国的信息安全W。信息安全离不开密码学，作为信息安全的关键技术，密码学可 W提供信息的保密性、完整性、可用性W及抗抵性。密码学主要由密码编码学和密码分析学 两部分组成，密码编码学与密码分析学二者相互独立，又相互依存，从而推动了密码学自身 的快速发展。
[0003] AES全称是Advanced Elncryption Standard,即高级加密标准算法，是美国联邦政 府采用的一种区块加密标准，该个标准用来替代原先的DES值ate化cryption Standard) 算法，该算法由美国国家标准与技术研究院（NIST)于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197,并在2002年5月26日成为有效的标准，截至2006年，AES已然成为对称密钥加密中最 流行的算法之一 b'33。AES目前获得了广泛的应用，成为虚拟专用网、SONET(同步光网络）、 远程访问服务器（RA巧、高速ATM/化hernet路由器、移动通信、卫星通信、电子金融业务等 的加密算法，并逐渐取代DES在IP-See、S化和ATM中的使用。此外，得益于密码技术的高 速发展，政府及军事通信更多的采用高级的加密算法，W及网络保密系统，财政保密、游戏 机密等方面AES加密算法都得到了广泛的应用。
[0004] PUF全称是化ysical Unclon油le F^mction，即物理不可复制结构["，利用各种电 路结构放大集成电路生产过程中因工艺等原因造成的各种偏差，形成稳定的、唯一的、不可 预测结果的电路结构W。
[000引[参考文献]
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[ocm] 针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于锁存型电压灵敏放大器PUF 的AES密钥产生结构，为AES加解密电路提供加解密所需的密钥，可根据不同需要分别提供 128位、192位和256位密钥，保证密钥的唯一性、不可复制性和可靠性。
[0012] 为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种基于锁存型电压灵敏放大器PUF 的AES密钥产生结构，包括核屯、单元和外围电路，所述核屯、单元为SAPUF结构，所述SAPUF 结构是一种利用StrongARM型锁存灵敏放大器作为PUF的结构；所述外围电路包括一个 SRAM存储器；所述StrongARM型锁存灵敏放大器为差分结构，包括走个场效应管N1管、N2 管、N3管、M管、N5管、P1管和P2管，其中，N3管和M管构成M0S对管，所述N3管和M管 的栅极接位线；N5管为使能管，N5管的栅极接使能控制信号EN，该使能控制信号EN控制放 大器的开启与关断；N1管、N2管、P1管和P2管构成正反馈的锁存结构，该锁存结构相对于 所述的M0S对管为负载；N1管和P1管的栅极为放大器的输出端OUT,所述P1管和P2管的 源极为放大器的电源端。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0014] 本实用新型中利用StrongARM型锁存灵敏放大器作为PUF结构（W下简称 SAPUF)，构成本实用新型中AES密钥产生结构的核屯、单元。
[0015] 由于AES的加密流程和算法是公开的，保护AES算法的核屯、在于保护密钥化ey) 的安全，而近年来，针对预存储在AES加解密电路中的密钥攻击越来越多，为了保证密钥的 安全，一部分研究者在电路增强方面进行了研究，还有一部分在如何产生不可复制的唯一 的密钥方面进行了研究。经过相关文献和专利的检索，目前已有部分研究者提出基于不同 种类PUF的密钥产生结构，但是需要进行ECC巧rror Correcting Code,错误检查和纠正） 操作。利用本实用新型的密钥产生结构能够产生唯一的、不可复制的和可靠的AES加解密 密钥，该结构简单易用，而且输出稳定，可W根据需要产生128位、192位、256位密钥，可W 作为IP核来使用。由于本实用新型是利用SAPUF结构（StrongARM型锁存灵敏放大器结构 作为PUF结构），无需进行ECC操作；此外，相比于其他结构本实用新型的密钥产生结构对 于外围电路的需求极小，仅需额外配备一个SRAM (Static RAM,静态随机存储器）。
【附图说明】
[0016] 图1是StrongARM型锁存灵敏放大器结构示意图；
[0017] 图2是由SAPUF构成的AES密钥产生结构。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述。
[0019] 本实用新型提出的一种基于锁存型电压灵敏放大器PUF的AES密钥产生结构是W SAPUF阵列为核屯、，加上相关外围电路构成。如图2所示，该AES密钥产生结构包括核屯、单 元和外围电路，所述核屯、单元为SAPUF结构，所述SAPUF结构是一种利用StrongARM型锁存 灵敏放大器作为PUF的结构；所述外围电路包括一个SRAM存储器。
[0020] 如图1所示，是StrongARM型锁存灵敏放大器（W下简称SA灵敏放大器）的结 构图，该放大器为差分结构，包括^；：个场效应管；N1管、N2管、N3管、M管、N5管、P1管和 P2管，其中，N3管和M管构成M0S对管，N3管和M管为差分输入管，灵敏放大器失调电压 VcwsET的大小与N3管和M管面积的平方根成反比，并且其栅极接位线；N5管为使能管，N5 管的栅极接使能控制信号EN，该使能控制信号EN控制放大器的开启与关断，使能管的宽长 比对于放大器的速度影响最大；N1管、N2、P1和P2构成正反馈的锁存结构，该锁存结构相 对于所述的M0S对管可W视为负载；N1管和P1管的栅极为放大器的输出端OUT,所述P1管 和P2管的源极为放大器的电源端。
[0021] 结合图1说明本实用新型中的SA灵敏放大器理想情况下的工作原理：
[0022] 当使能信号EN为低电平时，N5管关断，放大器不工作，输出端口 OUT通过预冲管充 电到高电平；理想情况下，如果两位线之间存在电压差，当使能信号EN变为高电平时，使能 管N5开启，放大器开始工作，将两位线间的电压差进行放大。假设化端电压大于BLA端电 压，会使得流过N3的电流大于流过M的电流，导致b点电位比a点电位下降快，当b点电 位下降至V孤-|Vj时，P1开启且开始对a点进行充电，当流过P1的充电电流大于流过N1 的放电电流时，a点电位上升，进而促使b点电位继续下降，开始正反馈，直至a点输出为高 电平"1"，此时b点为低电平"0"，放大器输出"1"。相反，如果化端电压小于BLA端电压， 最终b点为高电平"1"，放大器输出"0"。
[0023] 结合图1说明本实用新型中的SA灵敏放大器实际情况下的工作原理：
[0024] 理想情况下，放大器会将两位线之间的任意电压差进行放大，SA灵敏放大器能够 正确放大两位线间的电压差，强烈依赖于N3/M管的匹配，而实际中，由于M0S管的匹配问 题、工艺偏差等因素，导致N3/M管不匹配。实际加工中，M0S管的加工偏差，主要体现在宽 长比的变化上，根据公式（1);
[0025]
【主权项】
1. 一种基于锁存型电压灵敏放大器PUF的AES密钥产生结构，其特征在于，包括核屯、单 元和外围电路，所述核屯、单元为SAPUF结构，所述SAPUF结构是一种利用StrongARM型锁存 灵敏放大器作为PUF的结构；所述外围电路包括一个SRAM存储器； 所述StrongARM型锁存灵敏放大器为差分结构，包括走个场效应管：N1管、N2管、N3 管、M管、N5管、P1管和P2管，其中，N3管和M管构成M0S对管，所述N3管和M管的栅 极接位线；N5管为使能管，N5管的栅极接使能控制信号EN，该使能控制信号EN控制放大器 的开启与关断；N1管、N2管、P1管和P2管构成正反馈的锁存结构，该锁存结构相对于所述 的M0S对管为负载；N1管和P1管的栅极为放大器的输出端OUT,所述P1管和P2管的源极 为放大器的电源端。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于锁存型电压灵敏放大器PUF的AES密钥产生结构，包括核心单元和外围电路，所述核心单元SAPUF结构是一种利用StrongARM型锁存灵敏放大器差分结构作为PUF的结构；所述外围电路包括一个SRAM存储器。所述StrongARM型锁存灵敏放大器为差分结构，包括七个场效应管:N1、N2、N3、N4、N5、P1和P2管，其中，N3和N4管构成MOS对管，所述N3和N4管的栅极接位线；N5管为使能管，N5管的栅极接使能控制信号EN；N1、N2、P1和P2管构成正反馈的锁存结构，该锁存结构相对于所述的MOS对管为负载；N1、P1管的栅极为放大器的输出端OUT，所述P1、P2管的源极为放大器的电源端。本实用新型为AES加解密电路提供密钥，保证密钥的唯一性、不可复制性和可靠性。
【IPC分类】H04L9-08, H04L9-06
【公开号】CN204291000
【申请号】CN201420795003
【发明人】赵毅强, 何家骥, 束庆冉, 杨松
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月15日