FPGA-Based PUF Designs: A Comprehensive Review and Comparative Analysis

Field-programmable gate arrays (FPGAs) have firmly established themselves as dynamic platforms for the implementation of physical unclonable functions (PUFs). Their intrinsic reconfigurability and profound implications for enhancing hardware security make them an invaluable asset in this realm. This groundbreaking study not only dives deep into the universe of FPGA-based PUF designs but also offers a comprehensive overview coupled with a discerning comparative analysis. PUFs are the bedrock of device authentication and key generation and the fortification of secure cryptographic protocols. Unleashing the potential of FPGA technology expands the horizons of PUF integration across diverse hardware systems. We set out to understand the fundamental ideas behind PUF and how crucially important it is to current security paradigms. Different FPGA-based PUF solutions, including static, dynamic, and hybrid systems, are closely examined. Each design paradigm is painstakingly examined to reveal its special qualities, functional nuances, and weaknesses. We closely assess a variety of performance metrics, including those related to distinctiveness, reliability, and resilience against hostile threats. We compare various FPGA-based PUF systems against one another to expose their unique advantages and disadvantages. This study provides system designers and security professionals with the crucial information they need to choose the best PUF design for their particular applications. Our paper provides a comprehensive view of the functionality, security capabilities, and prospective applications of FPGA-based PUF systems. The depth of knowledge gained from this research advances the field of hardware security, enabling security practitioners, researchers, and designers to make wise decisions when deciding on and implementing FPGA-based PUF solutions.publishedVersio

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Securing IEEE P1687 On-chip Instrumentation Access Using PUF

As the complexity of VLSI designs grows, the amount of embedded instrumentation in system-on-a-chip designs increases at an exponential rate. Such structures serve various purposes throughout the life-cycle of VLSI circuits, e.g. in post-silicon validation and debug, production test and diagnosis, as well as during in-field test and maintenance. Reliable access mechanisms for embedded instruments are therefore key to rapid chip development and secure system maintenance. Reconfigurable scan networks defined by IEEE Std. P1687 emerge as a scalable and cost-effective access medium for on-chip instrumentation. The accessibility offered by reconfigurable scan networks contradicts security and safety requirements for embedded instrumentation. Embedded instrumentation is an integral system component that remains functional throughout the lifetime of a chip. To prevent harmful activities, such as tampering with safety-critical systems, and reduce the risk of intellectual property infringement, the access to embedded instrumentation requires protection. This thesis provides a novel, Physical Unclonable Function (PUF) based secure access method for on-chip instruments which enhances the security of IJTAG network at low hardware cost and with less routing congestion

Cryptographic Primitives from Physical Variables

In this dissertation we explore a new paradigm emerging from the subtleties of cryptographic implementations and relating to theoretical aspects of cryptography. This new paradigm, namely physical variables (PVs), simply describes properties of physical objects designed to be identical but are not due to manufacturing variability. In the first part of this dissertation, we focus our attention on scenarios which require the unique identification of physical objects and we show how Gaussian PVs can be used to fulfill such a requirement. Using this framework we present and analyze a new technique for fingerprinting compact discs (CDs) using the manufacturing variability found in the length of the CDs\u27 lands and pits. Although the variability measured is on the order of 20 nm, the technique does not require the use of microscopes or any advanced equipment. Instead, the electrical signal produced by the photo-detector inside the CD reader will be sufficient to measure the desired variability. We thoroughly investigate the new technique by analyzing data collected from 100 identical CDs and show how to extract a unique fingerprint for each CD. In the second part, we shift our attention to physically parameterized functions (PPFs). Although all the constructions we provide are centered around delay-based physically unclonable functions (PUFs), we stress that the use of the term PUF could be misleading as most circuits labeled with the term PUF are in reality clonable on the protocol level. We argue that using a term like PPFs to describe functions parameterized by a PV is a more accurate description. Herein, we thoroughly analyze delay-PUFs and use a mathematical framework to construct two authentication protocols labeled PUF-HB and HB+PUF. Both these protocols merge the known HB authentication family with delay-based PUFs. The new protocols enjoy the security reduction put forth by the HB portion of the protocol and at the same time maintain a level of hardware security provided by the use of PUFs. We present a proof of concept implementation for HB+PUF which takes advantage of the PUF circuit in order to produce the random bits typically needed for an HB-based authentication scheme. The overall circuit is shown to occupy a few thousand gates. Finally, we present a new authentication protocol that uses 2-level PUF circuits and enables a security reduction which, unlike the previous two protocols, stems naturally from the usage of PVs

Lightweight Silicon-based Security: Concept, Implementations, and Protocols

Advancement in cryptography over the past few decades has enabled a spectrum of security mechanisms and protocols for many applications. Despite the algorithmic security of classic cryptography, there are limitations in application and implementation of standard security methods in ultra-low energy and resource constrained systems. In addition, implementations of standard cryptographic methods can be prone to physical attacks that involve hardware level invasive or non-invasive attacks. Physical unclonable functions (PUFs) provide a complimentary security paradigm for a number of application spaces where classic cryptography has shown to be inefficient or inadequate for the above reasons. PUFs rely on intrinsic device-dependent physical variation at the microscopic scale. Physical variation results from imperfection and random fluctuations during the manufacturing process which impact each device’s characteristics in a unique way. PUFs at the circuit level amplify and capture variation in electrical characteristics to derive and establish a unique device-dependent challenge-response mapping. Prior to this work, PUF implementations were unsuitable for low power applications and vulnerable to wide range of security attacks. This doctoral thesis presents a coherent framework to derive formal requirements to design architectures and protocols for PUFs. To the best of our knowledge, this is the first comprehensive work that introduces and integrates these pieces together. The contributions include an introduction of structural requirements and metrics to classify and evaluate PUFs, design of novel architectures to fulfill these requirements, implementation and evaluation of the proposed architectures, and integration into real-world security protocols. First, I formally define and derive a new set of fundamental requirements and properties for PUFs. This work is the first attempt to provide structural requirements and guideline for design of PUF architectures. Moreover, a suite of statistical properties of PUF responses and metrics are introduced to evaluate PUFs. Second, using the proposed requirements, new and efficient PUF architectures are designed and implemented on both analog and digital platforms. In this work, the most power efficient and smallest PUF known to date is designed and implemented on ASICs that exploits analog variation in sub-threshold leakage currents of MOS devices. On the digital platform, the first successful implementation of Arbiter-PUF on FPGA was accomplished in this work after years of unsuccessful attempts by the research community. I introduced a programmable delay tuning mechanism with pico-second resolution which serves as a key component in implementation of the Arbiter-PUF on FPGA. Full performance analysis and comparison is carried out through comprehensive device simulations as well as measurements performed on a population of FPGA devices. Finally, I present the design of low-overhead and secure protocols using PUFs for integration in lightweight identification and authentication applications. The new protocols are designed with elegant simplicity to avoid the use of heavy hash operations or any error correction. The first protocol uses a time bound on the authentication process while second uses a pattern-matching index-based method to thwart reverseengineering and machine learning attacks. Using machine learning methods during the commissioning phase, a compact representation of PUF is derived and stored in a database for authentication

A Physical Unclonable Function Based on Inter-Metal Layer Resistance Variations and an Evaluation of its Temperature and Voltage Stability

Keying material for encryption is stored as digital bistrings in non-volatile memory (NVM) on FPGAs and ASICs in current technologies. However, secrets stored this way are not secure against a determined adversary, who can use probing attacks to steal the secret. Physical Unclonable functions (PUFs) have emerged as an alternative. PUFs leverage random manufacturing variations as the source of entropy for generating random bitstrings, and incorporate an on-chip infrastructure for measuring and digitizing the corresponding variations in key electrical parameters, such as delay or voltage. PUFs are designed to reproduce a bitstring on demand and therefore eliminate the need for on-chip storage. In this dissertation, I propose a kind of PUF that measures resistance variations in inter-metal layers that define the power grid of the chip and evaluate its temperature and voltage stability. First, I introduce two implementations of a power grid-based PUF (PG-PUF). Then, I analyze the quality of bit strings generated without considering environmental variations from the PG-PUFs that leverage resistance variations in: 1) the power grid metal wires in 60 copies of a 90 nm chip and 2) in the power grid metal wires of 58 copies of a 65 nm chip. Next, I carry out a series of experiments in a set of 63 chips in IBM\u27s 90 nm technology at 9 TV corners, i.e., over all combination of 3 temperatures: -40oC, 25oC and 85oC and 3 voltages: nominal and +/-10% of the nominal supply voltage. The randomness, uniqueness and stability characteristics of bitstrings generated from PG-PUFs are evaluated. The stability of the PG-PUF and an on-chip voltage-to-digital (VDC) are also evaluated at 9 temperature-voltage corners. I introduce several techniques that have not been previously described, including a mechanism to eliminate voltage trends or \u27bias\u27 in the power grid voltage measurements, as well as a voltage threshold, Triple-Module-Redundancy (TMR) and majority voting scheme to identify and exclude unstable bits

A Group-Based Ring Oscillator Physical Unclonable Function

Silicon Physical Unclonable Function (PUF) is a physical structure of the chip which has functional characteristics that are hard to predict before fabrication but are expected to be unique after fabrication. This is caused by the random fabrication variations. The secret characteristics can only be extracted through physical measurement and will vanish immediately when the chip is powered down. PUF promises a securer means for cryptographic key generation and storage among many other security applications. However, there are still many practical challenges to cost effectively build secure and reliable PUF secrecy. This dissertation proposes new architectures for ring oscillator (RO) PUFs to answer these challenges. First, our temperature-aware cooperative (TAC) RO PUF can utilize certain ROs that were otherwise discarded due to their instability. Second, our novel group-based algorithm can generate secrecy higher than the theoretical upper bound of the conventional pairwise comparisons approach. Third, we build the first regression-based entropy distiller that can turn the PUF secrecy statistically random and robust, meeting the NIST standards. Fourth, we develop a unique Kendall syndrome coding (KSC) that makes the PUF secrecy error resilient against potential environmental fluctuations. Each of these methods can improve the hardware efficiency of the RO PUF implementation by 1.5X to 8X while improving the security and reliability of the PUF secrecy