[发明专利]具有指数增长型响应数量的PUF电路及加密装置

说明书

本申请公开了一种具有指数增长型响应数量的PUF电路及加密装置，该电路包括具有PUF特性的单元存储阵列、纠错码电路、寄存器响应选择阵列，单元存储阵列在外部挑战信号作用下，产生具有PUF特性的响应，该响应通过纠错码电路稳定的输入到寄存器响应选择阵列，在寄存器响应选择阵列中进行逻辑组合后输出得到最终的响应结果；逻辑组合为：每两行寄存器为一组，每组中同一列的两个寄存器的输出增加一个二选一选择器输出，再将同一组的不同列的两个选择器的输出结果逐次进行异或，得到一个最终的输出值；将所有分组的最终输出值按序拼接得到最终的响应结果。本申请在芯片面积有限时，实现指数量级增加PUF中响应数量，解决现有PUF强度较弱的问题。

技术领域

本申请涉及IP保护技术领域，具体而言，涉及一种具有指数增长型响应数量的PUF电路及加密装置。

背景技术

PUF(Physically Unclonable Function)即物理不可克隆函数技术，在实际应用中，一方面可以提供ID认证所需的二进制安全信息，另一方面借助PUF的函数特性能够辅助其他安全算法实现数据的加密、签名等功能。PUF技术是由能够产生输出的电路、组件、过程或其他实体来实现的，是一种具体的物理结构产生的函数。由于生产过程中存在微小差异，使得PUF的输入输出关系具有随机性、不可预测性、不可克隆性，通常把PUF的输入称为挑战信号(challenge)，输出称为响应信号(response)。PUF是一种物理熵源，基于物理熵源随机性的ID生成认证或者数据加密的过程更加安全，不易被现有的解密算法攻破。

当前市面上主流的可集成PUF方案之一就是SRAM PUF。SRAM(Static Random-Access Memory)是一种集成电路中常用的结构。SRAM PUF就是借助SRAM阵列的随机特性实现PUF的激励响应关系，即借助SRAM的结构实现函数映射的特性，同时因为物理随机性满足不同SRAM阵列之间的映射关系不同。由于SRAM可能会因为电路中的噪声产生跳变，输出的数值发生变化，使得在某些情况下函数的映射关系不能满足，所以在实际使用中需要纠错码来解决这一问题，保证数据的稳定。

从定义上来说，PUF按照挑战响应对(CRP,challenge-response pairs)的数量分为强PUF和弱PUF，SRAM由于其特性一般属于弱PUF。具体来说，常规的SRAM PUF的实现是借助每一个SRAM单元生成1bit随机的二进制数值，多个SRAM单元组成一行并行输出，成为PUF的响应信号，从应用的角度也可以称之为密钥；每行分配一个地址，该地址为SRAM PUF的挑战信号。举例来说，对于一个32x127大小的SRAM阵列，每次输出127bit长度的响应，按照常规方案只能有32种挑战(也可以说是32个127bit的密钥)，对应的模块地址脚最少为5个(2^5＝32)。

上述常规方案存在有限面积下响应数量过少的问题，因此直接导致了SRAM PUF是一种弱PUF。如果实际需求中想要增加响应，由于每个SRAM单元只为一个响应提供了数值，没有进行复用，因此需要添加SRAM单元构成新的一行，同时增加地址才能满足要求。此时响应的数量为：其中，SRAM单元的数量为m，响应的码长为n，m/n为整数。

对于集成电路来说，SRAM作为器件的一种，其数量m和所占芯片面积s是接近线性正相关的：s≈k×m(k∈R,k0)，因此可以得到，PUF的芯片面积和响应的数量关系为：s≈k×n×z(k∈R,k0)。从公式中可以看到这种方案下的芯片面积和响应的数量呈线性关系。在芯片面积有限的情况下，响应的总数(或CRP的总数)并不大，这种方案的SRAM PUF仍然属于弱PUF的范畴。

如果采用简单复用SRAM单元的方案进行改进，即每增加一个响应就增加一条用于输出响应的电路，这会导致平均到每个SRAM单元的面积增加。假设共增加了q条电路(相当于q个响应)，对于单个SRAM单元来说每条线路增大的面积为h，则有：s≈km+nhq(k∈R,k0)，两个公式可以得到：s≈nkz+(h-k)nq(k∈R,k0)。从公式中可知，芯片面积s和响应数量z和响应增加的数量q呈线性关系。所以这种方法不能从根本上解决芯片级PUF的响应数量与芯片面积的矛盾。