基于FPGA的新型强弱混合型PUF电路设计

摘要

物理不可克隆函数(PUF,physically unclonable function)通过提取芯片制造过程中无法避免引入的工艺偏差,可产生具有随机性、唯一性和防篡改特性的特征密钥。通过对PUF电路结构和工作原理的研究,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA,field-programmable gate array)的新型强弱混合型PUF(SWPUF,strong and weak PUF)电路设计方案。该PUF可根据激励的汉明重量(HW,hamming weight)灵活地配置为强PUF和弱PUF两种拓扑结构,解决强/弱PUF分立实现的局限性。此外,利用异或去相关技术进一步优化输出密钥的统计特性。所提PUF采用Xilinx Artix-7 FPGA(28 nm工艺)实现,利用Matlab结合MicroBlaze微控制器构建内建自测试平台(self-built test platform)。实验结果表明,该PUF具有良好的随机性(96.98%)、唯一性(99.64%)和可靠性(常温常压下96.6%)。逻辑回归分析进一步显示,在HW较小的情况下所提SWPUF比传统的Arbiter-PUF具有更好的抗攻击能力,可广泛应用于信息安全领域,如密钥存储(针对弱PUF)和设备认证(针对强PUF)。