动态可配置多输出RO PUF设计研究

摘 要： 针对已提出的环形振荡器物理不可克隆函数(Ring Oscillator Physical Unclonable Functions)输出位数少和鲁棒性不足的缺点,提出了由多输出环振荡器和动态配置处理模块组成的动态可配置多输出RO PUF。多路输出环振荡器用于提高芯片资源利用率和增加输出位数。动态配置处理模块根据工作环境的变化动态调整振荡器结构,从而增强系统的鲁棒性和可靠性。实验结果表明,相比传统RO PUF和可配置RO PUF, 动态可配置多输出RO PUF展现出更高的片间汉明距离和更低的片内汉明距离，可进一步提取芯片ID的精度。

0 引言

随着计算机技术和集成电路的飞速发展和广泛应用，芯片信息安全越来越受重视。而环形振荡器物理不可克隆函数(RO PUF)在信息安全领域作为一项非常有潜力的技术，在芯片信息安全领域备受关注[1]。传统RO PUF通过比较放置在同一芯片不同位置的一对环形振荡器的频率来生成输出0或1。由于随机的工艺偏差,输出位将因芯片的不同而变得无法预测[2]。因此，基于传统RO PUF的可配置的RO PUF被提出来。在可配置RO PUF中, 输出位通过最大频率差的配置向量生成[3]，从而可以降低工艺偏差带来的影响。

然而，不论是传统RO PUF还是可配置RO PUF都存在一个相同的不足：通过比较两个环形振荡器频率的不同只能产生一位输出。为了产生更多的输出位，只能不断增加振荡器数量。虽然频率比较的方法可以提高输出位数，但是有限的芯片资源限制了可配置RO PUF的实际运用[4]。

根据以上不足，本文提出了动态可配置多路输出RO PUF。不仅从根本上增加了输出位数，而且可以根据实际需求确定输出位的数量。同时，振荡器的结构随工作条件的变化而相应的改变，因此可以提高芯片的鲁棒性和安全性。

1 多输出环形振荡器

多输出环形振荡器由反相器、开关单元和路径分配器组成，路径分配器是动态可配置多路输出RO PUF的基础。多输出结构的环形振荡器如图1所示。

图1中所有开关单元都与仲裁器PUF[5]中的开关单元一致。如果在开关S[0..2]配置位是‘1’，信号将在对应的开关交叉，否则信号将平行通过。图1中由3个开关单元组成的振荡器共有8(23=8)种信号传输模式。路径分配器用以确保信号不会在振荡器上下路径之间交叉传播，以保证每条路径的稳定振荡。信号从路径分配器的输出端开始传输，通过反相器和开关单元，最后回到路径分配器的输入引脚。路径分配器根据每个信号的配置向量决定信号的流向，确保信号重新开始流动时，会沿着之前的路径流动。不同的配置向量将导致不同的信号传输模式。不同的传输模式导致不同传输延迟的线路和门电路，从而产生不同的振荡频率。

相比传统RO PUF中和可配置RO PUF振荡器只能产生一位输出，该振荡器只占一个LAB却可以产生2个输出位。除此之外，通过调整开关单元的通断和路径分配器的信号分配路径，该振荡器还可以产生更多的输出位。

图2表示一对多输出环形振荡器和4个输出位(RO1-1、RO1-2、RO2-1、RO2-2)。RO1和RO2的配置向量相同。通过逻辑锁存器，RO1-和 RO2-1具有相同的路径。所以RO1-和RO2-1(或RO1-2and RO2-2)唯一的区别就是物理工艺偏差。因此，RO1-1和 RO2-1(或RO1-2and RO2-2)频率比较结果可以作为一个输出位。

在Xilinx FPGA中进行实验，如图3所示，实验结果表明RO1-1和RO1-2在不同配置向量下的输出频率。

实验结果表明，RO1-1和RO1-2的输出频率确实存在差异。此外，随着配置向量的不同，它们的输出频率也存在差异。因此，验证了多输出振荡器结构确实能有效产生多个输出位。

RO1-1和RO2-1的频率差和RO1-2和RO2-2的频率差在不同配置向量下的实验结果如图4所示。可以看出，RO1-1和RO2-1的频率差和RO1-2和RO2-2的频率差是不相关的。因此，它们的输出不相互影响，可以看作两个独立输出位。