一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)及其應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信息安全硬件加密技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及物理不可克隆函數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]物理不可克隆函數(shù)是一種新興的，利用集成電路制造工藝不可預測的偏差來對其進行加密的技術(shù)。對每個芯片來說，工藝偏差都是其獨有的并且在相同的激勵下能夠產(chǎn)生不同的隨機序列。物理不可克隆函數(shù)能夠利用這些獨特的加密信息進行加密認證和識別。
[0003]目前已提出多種物理不可克隆函數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。例如基于仲裁器的物理不可克隆函數(shù)、基于環(huán)形振蕩器的物理不可克隆函數(shù)以及基于隨機靜態(tài)存儲器的物理不可克隆函數(shù)等?；谥俨闷鞯奈锢聿豢煽寺『瘮?shù)是在電路中設(shè)置兩天完全對稱的信號傳輸路徑，通過比較兩條路徑中信號到達的先后順序來決定輸出的高低電平?；诃h(huán)形振蕩器的物理不可克隆函數(shù)是通過比較環(huán)形振蕩器之間頻率的差異來實現(xiàn)響應輸出。而基于靜態(tài)隨機存儲器的物理不可克隆函數(shù)是利用靜態(tài)隨機存儲單元在上電時的瞬態(tài)特性而建立的物理不可克隆函數(shù)結(jié)構(gòu)，是一種低成本的實現(xiàn)技術(shù)。一個靜態(tài)隨機存儲器單元是由兩個交叉耦合的反相器組成。上電后，一個微小的電壓差就會使得其輸出電壓穩(wěn)定在狀態(tài)0或者1。但是這種物理不可克隆函數(shù)需要后置處理電路來增強其安全性能，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種基于三態(tài)反相器的增強型類靜態(tài)隨機存儲器物理不可克隆函數(shù)，這種新型的物理不可克隆函數(shù)結(jié)構(gòu)能夠在沒有后處理電路的情況下產(chǎn)生足夠的激勵響應對。
[0005]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，它的基本單元包括兩個相同的交叉耦合的三態(tài)反相器矩陣，它利用兩個三態(tài)反相器矩陣制造工藝偏差導致的競爭冒險來產(chǎn)生隨機響應值，每個矩陣中包含η (η>0)個平行的三態(tài)反相器，每個三態(tài)反相器的使能端分別為激勵組I和激勵組II。
[0006]上述三態(tài)反相器，當沒有任何激勵信號時，電路輸出為高阻態(tài)。當激勵信號中包含一個或多個使能信號時，兩個矩陣中的三態(tài)反相器便會形成一個高效的靜態(tài)隨機存儲器物理不可克隆函數(shù)。
[0007]進一步地，所述的三態(tài)反相器單元由兩個PM0S和兩個NM0S組成。當輸入使能信號激勵時，三態(tài)反相器單元便會隨之輸出相應的Ι-bit響應。
[0008]當兩個矩陣中分別只有一個三態(tài)反相器單元工作時，其工作流程就像基于靜態(tài)隨機存儲器的物理不可克隆函數(shù)；當兩矩陣中分別有兩個及以上的三態(tài)反相器使能工作時，附加電流會增加響應的唯一性。同時工作的三態(tài)反相器數(shù)量由使能信號來決定，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比這種可重構(gòu)型結(jié)構(gòu)能夠在沒有后置處理電路的情況下產(chǎn)生足夠的激勵響應對。
[0009]本發(fā)明具有如下有益效果: (1)與傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明采用兩個相同的交叉耦合的三態(tài)反相器矩陣，使用了數(shù)量最少的門電路來產(chǎn)生一個比特的響應，大大提高了資源的利用率；
(2)本發(fā)明提供的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)經(jīng)過驗證，具有較好的唯一性與可靠性，適用于低功耗、低成本的應用；
(3)在專用數(shù)字集成電路和可編程邏輯器件上的實現(xiàn)表示了本發(fā)明在不同平臺上的實用性和其優(yōu)越性。
【附圖說明】
[0010]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明的基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)；
圖2為三態(tài)反相器的原理圖；
圖3為五級三態(tài)隨機存儲器單元的工作過程；
圖4為五級三態(tài)隨機存儲器單元的蒙特卡羅仿真結(jié)果；
圖中，cl [n]、c2[n]對應為兩個交叉耦合三態(tài)反相器矩陣鐘的三態(tài)反相器。
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明提供一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚和明確，參照附圖并舉實例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0012]本發(fā)明提供的這種種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)的通用結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括兩個相同的交叉耦合三態(tài)反相器矩陣，每個矩陣中包含η (η>0)個平行的三態(tài)反相器單元，兩個三態(tài)反相器的使能端分別為激勵組I和激勵組II。它利用兩個三態(tài)反相器矩陣制造工藝偏差導致的競爭冒險來產(chǎn)生隨機響應值。
[0013]每個三態(tài)反相器單元由兩個PM0S和兩個NM0S組成，其原理如圖2所示，每個三態(tài)反相器由兩個PM0S和兩個NM0S組成，其原理如圖2所示:ΡΜ1的源極與電源電壓相連，其漏極與ΡΜ2的源極相連；ΡΜ2的漏極與匪1的漏極相連，并與電路的輸出端口(Out)相接；而匪2的漏極和源極分別與匪1的源極以及地端相連；PM1和匪2的柵極相連，并與數(shù)據(jù)輸入端口(In)相接；NM1和PM2的柵極分別連接使能信號(En)與其取反的值(/En)，保證了電路在無使能信號時輸出呈高阻態(tài)，而在有使能信號時將輸入信號取反。當沒有任何激勵信號時，電路輸出為高阻態(tài)；當激勵信號中包含一個或多個使能信號時，兩個三態(tài)反相器矩陣中的三態(tài)反相器便會形成一個高效的靜態(tài)隨機存儲器物理不可克隆函數(shù)。
[0014]以一個五級的三態(tài)反相器電路結(jié)構(gòu)為例，如圖2所示，其包括兩個相同的交叉耦合三態(tài)反相器矩陣，每個矩陣中包含5個平行的三態(tài)反相器，每個三態(tài)反相器單元由兩個PM0S和兩個NM0S組成，每個三態(tài)反相器單元的使能端分別為激勵組I和激勵組II。如果在整個電路中設(shè)置128個這樣的電路結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一輸入兩組激勵信號，分別是激勵組一 [1 10 0 0]，激勵組二 [1 0 0 0 1]，如圖2所示，在反相器矩陣C1中只有Cl[l]和Cl[2]處于使能狀態(tài)，C1[3]，C1[4]和Cl[5]均處于高阻抗狀態(tài)。同樣的在反相器矩陣C2中的C2[l]和C2[5]處于使能狀態(tài)，C1[2]，C1[3]和Cl [4]處于高阻抗狀態(tài)。于是這四個使能的三態(tài)反相器便組成了一個亞穩(wěn)態(tài)環(huán)路，相應的1 一bit響應由它們之間的競爭來隨機產(chǎn)生。
[0015]整個電路將會產(chǎn)生128bit的隨機響應值，形成了一個高效的靜態(tài)隨機存儲器物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)。
[0016]在蒙特卡羅仿真中，在圖3中可以清晰看到在40ps內(nèi)電路隨機穩(wěn)定在低電平或者高電平并且在不同激勵下產(chǎn)生不同的響應。
[0017]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:該電路包括兩個相同的交叉耦合三態(tài)反相器矩陣，其利用兩個三態(tài)反相器矩陣制造工藝偏差導致的競爭冒險來產(chǎn)生隨機響應值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:每個矩陣中均包含η個平行的三態(tài)反相器單元，η為正整數(shù)，兩個矩陣的使能端分別為激勵組I和激勵組II。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的三態(tài)反相器單元由兩個PMOS和兩個NMOS組成。4.一種物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)在數(shù)字集成電路中的應用，其特征在于，將所述電路結(jié)構(gòu)運用到數(shù)字集成電路中，形成多組基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路，其激勵信號共用激勵組I和激勵組II的輸入信號，當沒有任何激勵信號時，電路輸出為高阻態(tài)；當激勵信號中包含一個或多個使能信號時，所述三態(tài)反相器單元形成一個高效的靜態(tài)隨機存儲器物理不可克隆函數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三態(tài)反相器的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)及其應用，該電路包括兩個相同的交叉耦合三態(tài)反相器矩陣，其利用兩個三態(tài)反相器矩陣制造工藝偏差導致的競爭冒險來產(chǎn)生隨機響應值。本發(fā)明提供的新型的低成本的物理不可克隆函數(shù)電路結(jié)構(gòu)，適用于可編程邏輯器件和專用數(shù)字集成電路，功耗低，安全性高。
【IPC分類】G06F21/72
【公開號】CN105303127
【申請?zhí)枴緾N201510720177
【發(fā)明人】劉偉強, 崔益軍, 王成華, 張磊
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月30日