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浅谈信任根(RoT)解决方案—NeoPUF

2020-07-27 11:43:11 来源:熵码科技
测评中心频道文章B

[摘要] 在AIoT时代,具备可靠信任根(RoT)的硬件安全才是抵御黑客攻击最根本的方法,而芯片上的PUF则是最受关注的信任根解决方案。继SRAM PUF之后,本篇将重点说明NeoPUF,及评估PUF性能的4大标准。

  PUF,即「物理不可复制功能」(Physically Unclonable Function),可作为半导体设备独一无二的身分标识,如同「指纹」。在芯片制造过程中,每个芯片之间会有许多无法预测和复制的物理性变异(即PUF),利用这个随机且唯一的特性,将PUF用来发展不同的芯片安全功能。在实际操作面上,可以将数组PUF转换为由0或1组成的数列,应用在密钥、身分辨识和进阶安全功能的随机数值。

  评估PUF性能的4大标准

  产生PUF的方法有很多种,在性能上也会有所差异。一般可用来评估PUF性能的标准包括:随机性、独特性、可靠性和不可追溯性。

  1、随机性:PUF的差异在制造过程中受随机因素影响,从每个PUF物理差异转换得出的数值是极难预测的。于统计角度来看,理想PUF的汉明权重(Hamming Weight)为50%,意味着一组数列中0和1的数量各半,使得该序列被暴力破解的机率最低。

  2、独特性:取决于其物理微观结构的独特性,每个PUF不同于彼此,或者说产生完全相同PUF的机率非常低;就如同世界上有两个人拥有一模一样的指纹,几乎是不可能的。由同样的概念出发,使用汉明距离(Hamming Distance)来测量两串相同长度的数列间的差异。理想情况下,50%的汉明距离表示两个序列之间,有一半数字相同,另一半则不同,这种情况下两串序列被暴力破解的机率最低。

  3、稳定性:PUF必须非常稳定且可靠,才能在整个产品生命周期内发挥其功用。稳定性意味着即使在剧烈的环境变化中,PUF序列中的0和1也不会反转。换句话说,理想的PUF应该具有0%误码率,即每一次读取PUF值时数列都是相同的,以证明其稳定性。

  4、不可追溯性:作为信任的根源,PUF必须能够抵抗物理攻击,不可追溯性是理想PUF的重要特征。也就是说,PUF应无法通过任何方法,例如逆向工程、电荷残差量测等方式来推测和提取其中的随机数值。

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  NeoPUF的特性

  力旺电子(eMemory)发明的NeoPUF是一种藉由氧化层中穿隧电流的随机性、做为其独特识别的PUF。众所周知,如果栅氧化层中有许多硅和氧的悬键,此缺陷可以作为电子的信道;随着栅氧化层变薄,电子可以透过这些缺陷穿过薄氧化层。此外,如果电子获得足够的能量,它们也会破坏si-o键并产生更多的悬键,从而增强电子的隧穿。因此,可以利用微观结构差异这项天生特质来创造PUF。

  要达到创造PUF的目的,只要对两个并联的晶体管管栅极施加高电压,以观察哪个栅极具有更强的隧穿电流,先出现较强电流的栅极是由于存在更多的悬键。我们永远不知道在两个栅极之间,会在哪一边看到高量子穿隧电流。每个两两一组的栅极,端看左右哪一边出现高量子隧穿电流,该组PUF即代表0或1,通过对许多对PUF组重复此过程,即可透过施加电压创造出一串不可预测的独特随机数列,就像掷硬币,正面和反面的机率是50%。

  值得关注的是,在低于700℃的温度下,硅或氧的悬键不易再变动、回复成原本的状态,此穿隧电流的状态在整个装置的使用寿命中将稳定持续。而该栅氧化层的微观结构无法通过物理方式检测,也就是说,每一个NeoPUF微观物理差异所转换的数列在物理上无法被轻易探测出来。综合上述特性,NeoPUF满足理想PUF的4大性能标准:随机、独特、稳定、不可追溯。

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  NeoPUF的应用

  NeoPUF不仅在稳定的性能上具有优势,其用途也很广泛,包括:

  安全存储:可作为保护IoT芯片内部机密(例如共享密钥)的隐形密钥,这对于保障IoT设备的安全至关重要。

  内建信任根:NeoPUF所形成的信任根可以使其成为安全功能的唯一密钥,它固有的随机性和唯一性是身份辨识(unique identity/UID)的理想之选,而且其误码率永久为零,所生成的密钥也因此非常适合用于芯片内的机密数值,和芯片外ID的生成。

  tRNG的理想随机数:NeoPUF是生成随机数的良好熵源,例如熵码科技使用NeoPUF作为静态熵来开发PUFtrng,具有极速的启动时间(毫秒内就绪)、高速吞吐量(超过100Mbits /秒)和低功耗(低于1pJ / bit),适用于轻量且经济高效的IoT设备。更令人印象深刻的是,其真随机数值通过了NIST SP 800-22测试和800-90B符合性标准。

  结语

  SRAM PUF和NeoPUF为现在市面上知名的PUF技术,上次已针对SRAM PUF的特性进行说明,在此不再赘述。总结而言,与SRAM PUF相比,NeoPUF的值较不会受到环境条件或物理老化问题的影响。经过技术平台验证,NeoPUF也具有0误码率的出色性能,同时在汉明权重和汉明距离上展现了令人印象深刻的统计结果,表现出理想的随机性和唯一性。

  (本文转自安防知识网台湾站)


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