防侵入式攻击的PUF稳定性和容性金属线网灵敏度增强研究

How to resist invasive attack in the hardware level has become the current research hotspot in area of chip hardware security. The existing methods to protect sensitive information from invasive attacks effectively are mainly based on combining PUF and capacitive coating. However, since the stability of the existing PUFs is low and the capacitive protective layers which sample indirect capacitive parameters, such as delay or oscillation frequency, are susceptible to V&T fluctuations, the sensitivity of the existing anti-invasive attack methods is low. Hence, in order to resist invasive attack effectively, the topic tends to propose a novel more stable multi-stage switched-capacitor (SC) PUF which samples the mismatch of capacitor ratios directly, and a sensitive capacitive metal meshes coating which connects to the sampling capacitors of SC PUF. By sampling the mismatch of capacitor ratios directly, cancelling the offset of sense amplifier, and correcting the unstable units permantly using one time programming post trimming technology, the proposed SC PUF is with high stability. Moreover, by sensing the capacitor variation of metal meshes caused by invasive attacks directly, and using multi-layer metal meshes, the proposed capacitive metal meshes will have higher invasive attack detecting sensitivity. The research results of the topic will help the security chip to resist invasive attacks, thereby enhancing its security significantly in the hardware level.

在硬件层面对侵入式攻击进行防护，已成为芯片硬件安全领域的研究热点。侵入式攻击的有效防护措施主要采用PUF和容性防护层结合的方式，但由于现有PUF稳定性不高、容性防护层检测的延时和振荡频率等间接容性参数易受V&T影响，从而使得现有侵入式攻击防护措施灵敏度较低。为此，本项目提出一种基于直接电容比例失配采样的高稳定性多段式开关电容PUF，以及连接至开关电容PUF采样电容的高检测灵敏度容性金属线网防护层。通过对电容比例失配进行直接采样，对采样放大器进行失调消除，并采用一次可编程生产后修调方式永久校正不稳定单元，使提出的多段式开关电容PUF具有极高的稳定性。通过对由侵入式攻击引起的金属线网寄生电容变化进行直接采样，并采用多层金属线网混合布线，使采用的与开关电容PUF采样电容相连的容性金属线网具有较高的侵入式攻击检测灵敏度。研究成果将有效提升安全芯片的防侵入攻击能力，进而提升整个安全芯片的硬件安全性。

本项目围绕安全芯片的防侵入式物理攻击展开，通过提升开关电容PUF的稳定性和容性金属线网的灵敏度，增强了安全芯片的侵入式攻击检测灵敏度。. 首先，提升了开关电容PUF密钥稳定性。提出低成本LSSA失调消除电路，降低其失调电压，从源头提升PUF的稳定性，使开关电容PUF原始稳定性提升至96%；然后，采用基于电容筛选的自测试方法筛选稳定的单元，并采用兼容数字电路的OTP电路对不稳定单元进行永久性校正，使输出密钥的稳定性达到100%，满足实用的要求。此外，将集成失调消除LSSA、自测试电容筛选电路和OTP电路的开关电容PUF进行数字标准单元化，并成功地采用数字流程将其集成至安全平台中，在提供安全密钥的同时，对整个安全芯片进行防护，打破了传统PUF安全特性仅限于单个单元或独立IP的局限性，真正实现了开关电容PUF的实用化。. 其次，获得了较高的容性金属线网防侵入式攻击检测灵敏度。研究侵入式物理攻击检测灵敏度与采样电容的类型以及金属线网布局方式之间的关系，提出高灵敏度侵入式攻击检测金属线网：首先敏感信号放在次顶层，其次采样电容由两层金属之间的寄生电容构成，且金属为面积较小的块状结构。当外部侵入式攻击发生时，采样电容发生较大范围的变化，获得了高外部侵入式攻击检测灵敏度。测试结果显示，该种金属线网防护层具有2.7 fF或2.7 μm2的侵入式攻击检测灵敏度，能够对现有探针和FIB攻击进行有效检测，真正实现了侵入式攻击防护。. 此外，提出了基于开关电容的Strong PUF电路和稳定性提升方法。通过改变多组子开关电容电路中的电容位置，实现了具有多组CRP的Strong型开关电容PUF，在保留开关电容PUF防侵入式攻击能力的同时，又能适应多组密钥的安全应用场景，拓展了开关电容PUF的应用范围。同时，通过对开关电容Strong PUF进行优化，并引入自测试电路，极大提升了开关电容Strong PUF的稳定性，使得开关电容Strong PUF同时具有高稳定性、大CRP空间和强侵入式攻击防护能力，对开关电容PUF的大范围应用具有重要意义。

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