基于FPGA的PUF硬件防伪控制研究

摘要

随着集成电路芯片的设计与制造分离，知识产权核的泄露已经成为严重困扰知识产权所有者的问题。盗版芯片不仅造成巨大的经济损失，更抑制了市场的良性发展，集成电路芯片的知识产权核保护技术日趋重要。硬件防伪技术是一项通过一系列措施对知识产权核进行有效保护的技术，物理不可克隆函数(PUF)是当前一种新的硬件防伪控制技术，利用芯片制造过程中不可控的物理特性产生不可克隆的输入输出响应对和密钥，能够对知识产权核形成有效的保护。PUF在应用过程中会遇到各种因素的影响，导致密钥存在可靠性与安全性问题。因此，研究高效的物理不可克隆性对集成电路的知识产权核保护有着重大意义。本文着力研究高可靠性与安全性以及低硬件成本开销的PUF，主要的工作有：
　　（1）针对基于环形振荡器PUF因环境因素造成的可靠性问题，提出了类斜率频率补偿设计方案。该方案需要额外增加减法器单元，首先测量芯片上振荡器在各个不同温度点的频率，其次计算频率与温度的变化关系并记录，温度影响使得基于环形振荡器PUF部分输入输出响应对不能通过自身输出可靠响应，因此利用相同温度变化的振荡器相互补偿，从而输出可靠响应。通过与基于1-out-of-8方案进行硬件成本的开销比较，实验结果表明，在相同的硬件成本下，本文所提方案能够输出可靠响应是基于1-out-of-8方案的1.66倍。
　　（2）针对基于环形振荡器PUF因系统变异影响的安全性问题，提出平均值绝对差思想。芯片上振荡器的频率因系统变异影响（热退火梯度、电路布局等）呈现一定的规律分布，因而降低了PUF安全性。该方案首先测量出每块芯片上振荡器的平均频率，其次再多次过滤相应振荡器的平均频率值得到随机的剩余频率，最终PUF的输出响应能够服从随机分布。实验中利用NIST随机性测试检验基于环形振荡器PUF的响应序列。与相邻编码方案相比，本文方案（独立于编码技术）有效的减弱了系统变异影响，并且PUF输出的响应序列能够服从随机分布。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景以及意义

1.2 国内外研究现状以及发展趋势

1.3 论文研究内容和创新点

1.4 本文组织结构

第2章 物理不可克隆函数研究的相关综述

2.1 物理不可克隆函数简介

2.2 物理不可克隆函数的属性与应用

2.3 基于环形振荡器物理不可克隆函数原理

2.4 物理不可克隆函数的评测标准

2.5 本章小结

第3章 基于环形振荡器物理不可克隆函数可靠性研究

3.1 基于1-out-of-K的RO-PUF

3.2 类斜率频率补偿方案设计

3.3 实验设计与结果

3.4 本章小结

第4章 基于环形振荡器物理不可克隆函数安全性研究

4.1 相邻编码方案设计

4.2 平均值绝对差方案设计

4.3 NIST随机性测试

4.4 实验设计结果

4.5 本章小结

总结

1.本文工作总结

2.工作展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文