Study of a Strong FUF for Light Weight Authentication without Cryptography

无需密码学的轻量级认证的强 FUF 的研究

• 批准号: 21K04201
• 负责人: 篠原 尋史
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04201/
• 关键词: ストロングPUF; モデリング攻撃; ビットエラー率; PUF; 認証; IoTセキュリティ

本研究は、それ自身で実質無尽蔵のチップ固有チャレンジレスポンスペア（以下CRP）を生成するストロングPUFで、モノ認証の低エネルギー化と高速化を目的としている。そのための課題はa)機械学習によるモデリング攻撃耐性強化 b)ビットエラー率低減 c) エネルギー効率とスループット改善、の３点である。2021年度の報告で述べた今後の研究の推進方策に沿って研究を行い、次の成果が得られた。a)では、c)とも関係するが、SRAM PUFを組み合わせたアーキテクチャを進化させて、レスポンス出力を100bitに拡張した（昨年度5bitの20倍、通常1bitの100倍）。この機械学習耐性を10百万CRPまで評価し安全性を確認した。レスポンスbit数に換算すると10億bitで、目標の40百万CRP時の40百万レスポンスbitを優に超えている。更に暗号解析による攻撃対策として、各処理ラウンドにおけるbit幅も100bitに拡張して、組み合わせ空間を暗号レベルまで大きくした。また、エントロピーS-BOXの衝突確率をほぼ0にするなどにより、暗号解析のヒントとなる多bitレスポンスの出現確率の偏りを消去した。b) では、ホットキャリアの選択的注入によるミスマッチ強化のビットセル毎のばらつきに着目した。作成した統計的モデルからトランジスタサイズを大きくすることでばらつきを小さくできることを予見し、実測で確認した。サイズ2倍で注入時間を0.54倍に、同3倍で0.32倍に短縮できる見通しを得た。c)では、前述の通りレスポンス出力の100bitへの拡張を行った。これにより、スループットは目標の3倍以上の3.7bit/cycleを達成した。従来の1bitレスポンスでは1回の認証に100個のCRPが必要だったものが、1個のCRPで済むことになり、認証システムとしての利便性も高まる

这项研究是一项强大的PUF，可产生几乎取之不尽的芯片特定挑战响应对（以下称为CRP），旨在减少能量并加快单声道认证的速度。这三个挑战是：a）通过机器学习增强建模攻击性b）降低位错误率c）能源效率和提高的吞吐量。根据促进2021年报告中提到的未来研究的措施进行了研究，并获得了以下结果。在a）中也与c）有关，但是结合SRAM PUF的结构已进化为将响应输出扩展到100位（去年5位的20倍，是1位11位100倍的100倍）。将这种机器学习阻力评估为1000万CRP，并确认其安全性。当转换为响应位数时，它是10亿位，远远超出了4000万CRP的目标4000万个响应位。此外，作为使用加密分析对攻击的对策，每个处理弹的位宽度已将其扩展到100位，将组合空间增加到加密级别。此外，通过使熵S-box的碰撞概率几乎为零，已经消除了多位响应的概率的偏差，这可能是加密分析的提示。 b）专注于由于选择性注入热载体而导致的不匹配的逐孔加强的变化。我们预测，通过增加晶体管大小，可以减少变化，并确认实际测量。预期的结果是，注射时间可以减少到0.54次，两倍，而尺寸为0.32次，大小相同三倍。 c）如上所述，响应输出扩展到100位。这已经达到了3.7位/周期的吞吐量，是目标的三倍以上。在常规的1位响应中，一个身份验证需要100个CRP，但是一个CRP足以增加作为身份验证系统的便利性。

项目成果

A 0.5-V Hybrid SRAM Physically Unclonable Function Using Hot Carrier Injection Burn-In for Stability Reinforcement

• DOI: 10.1109/jssc.2020.3035207
• 发表时间: 2021-07-01
• 期刊: IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS
• 影响因子: 5.4
• 作者: Liu, Kunyang;Chen, Xinpeng;Shinohara, Hirofumi
• 通讯作者: Shinohara, Hirofumi

Effect of Quadruple Size Transistor on SRAM Physically Unclonable Function Stabilized by Hot Carrier Injection

四倍尺寸晶体管对热载流子注入稳定的 SRAM 物理不可克隆功能的影响

• 发表时间: 2023
• 作者: Shufan Xu;Kunyang Liu;Yichen Tang;Ruilin Zhang;and Hirofumi Shinohara
• 通讯作者: and Hirofumi Shinohara

A 2.17-pJ/b 5b-Response Attack-Resistant Strong PUF with Enhanced Statistical Performance

具有增强统计性能的 2.17-pJ/b 5b 响应抗攻击强 PUF

• 发表时间: 2023
• 作者: Kunyang Liu;Gen Li;Zihan Fu;Xuanzhen Wang;and Hirofumi Shinohara
• 通讯作者: and Hirofumi Shinohara

Vss-Bias-Based Measurement of Random Telegraph Noise in Hybrid SRAM PUF after Hot Carrier Injection Burn-In

热载流子注入老化后混合 SRAM PUF 中基于 Vss 偏置的随机电报噪声测量

• 发表时间: 2023
• 作者: Kunyang Liu;Yichen Tang;Shufan Xu;and Hirofumi Shinohara
• 通讯作者: and Hirofumi Shinohara

Statistical Modeling of SRAM PUF Cell Mismatch Shift Distribution After Hot Carrier Injection Burn-In

热载流子注入老化后 SRAM PUF 单元失配位移分布的统计建模

• 发表时间: 2022
• 作者: Kunyang Liu;Kiyoshi Takeuchi;and Hirofumi Shinohara
• 通讯作者: and Hirofumi Shinohara