[发明专利]用于稳定的物理不可克隆函数的系统以及方法

说明书

本发明的各个实施例允许利用半导体器件中的物理属性的自然统计变化，以便创建真正随机的、可重复的、且难以检测的密码位。在某些实施例中，这可以通过PUF元件的递归配对失配值来实现，以便在不影响可用的PUF元件的利用率的情况下确保所生成的PUF密钥比特保持对环境误差不敏感。配对过程可以应用于任何给定的硬件以生成更加稳定的PUF比特序列，该PUF比特序列提供更高的误差裕度、增大给定误差裕度的位的数量、或者其任何组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2015年10月13日由Sung Ung Kwak提交的、名称为“Systemsand Methods for Stable Physically Unclonable Functions”的美国临时申请No.62/240,991的优先权，该美国临时申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于识别和鉴定的安全系统，并且更具体而言涉及用于借助于物理不可克隆函数(PUF)的随机加密密钥生成的系统、设备、以及方法。

背景技术

半导体处理的目的在于使工艺变化最小化，工艺变化是导致晶体管的阈值、电容、电阻值等的变化的晶圆上的物理部件中所产生的容限的原因。凭借所采用的其可重复性保持不完美的制造技术(包括非均匀沉积和蚀刻工艺)的优势，不能够完全消除部件之间的变化。这些变化的统计属性伴随无法仅通过检查部件布局来获得关于部件的信息。换言之，缺少部件级的极度困难的测量结果，则不能够检测或复制这些物理变化。

PUF设计利用物理半导体部件中的这些小的但有特性的制造变化，以便生成随机的序列、独特的密码密钥。在一些现有的设计中，基于PUF元件的极性上的失配来确定个体密钥比特以生成单个比特结果。在失配的典型高斯分布中，PUF元件的总体中的相对大量的PUF元件将以分布的中点为中心。鉴于其它非制造变化(例如，电压偏移、温度漂移、相对的老化过程、封装应力、噪音等等)的影响，常采用的零-一比较器的使用开启了以下可能性：密钥比特基于单个PUF元件的极性从零值不期望地变化到一(反之亦然)，从而负面地影响了所存储的代码的可重复性。

理想地，PUF元件由呈现大失配的电路部件制成，以便使设备上环境变化的影响最小化从而提高所生成的密钥比特的可重复性和稳定性。由于PUF元件的总体中的呈现相对小的失配的部分从统计上来说更有可能经历符号的变化，所以落入总体内的PUF元件不适合用于生成随机密钥比特的目的。因此，呈现相对小的失配的PUF元件典型地从任何给定的批中被排除以便防止PUF输出比特反应，这对于环境变化将是敏感的并且产生不稳定的密码密钥。

不幸地是，通过基于失配的极性来选择PUF元件而提高稳定性的技术倾向于从总体中舍弃有用的PUF元件的重要部分以便实现期望的比特误差率。然而，排除PUF元件的大部分必定会使整体利用率降低。

所需要的是用于在不负面地影响由电子PUF系统生成的密钥比特的稳定性和准确度的情况下确保计算系统设计人员维持PUF元件的高利用率的工具。

附图说明

将参考本发明的实施例，可以在附图中示出本发明的示例。这些附图旨在为说明性的，而非限制性的。尽管在这些实施例的背景下对本发明进行概述，但应当理解的是，这并非旨在将本发明的范围限制为这些特定的实施例。

附图(“图”)1示出了代表失配值的PUF元件输出的正态高斯分布上的漂移效应。

图2示出了用于根据本发明的各个实施例使用经分类的失配值的示例性高斯分布来生成PUF密钥比特的示例性配对过程。

图3A和图3B示出了根据本发明的各个实施例将MOS器件中的Vgs失配的示例性测量到的且正态高斯分布转化成使用分类的配对失配数据的示例性双模态(bi-modal)分布。

图4示出了根据本发明的各个实施例的作为函数误差率的期望裕量(margin)。