物理複製不能関数における安全性の評価と向上に関する研究

In this thesis, we focus on Physically Unclonable Functions (PUFs), which are expected as one of the most promising cryptographic primitives for secure chip authentication. Generally, PUFbased authentication is achieved by two approaches: (A) using a PUF itself, which has multiple challenge (input) and response (output) pairs, or (B) using a cryptographic function, the secret key of which is generated from a PUF with a single challenge-response pair (CRP). We contribute to:(1) evaluate the security of Approach (A), and (2) improve the security of Approach (B). (1) Arbiter-based PUFs were the most feasible type of PUFs, which was used to construct Approach (A). However, Arbiter-based PUFs have a vulnerability; if an attacker knows some CRPs, she/he can predict the remaining unknown CRPs with high probability. Bistable Ring PUF (BR-PUF) was proposed as an alternative, but has not been evaluated by third parties. In this thesis, in order to construct Approach (A) securely, we evaluate the difficulty of predicting responses of a BR-PUF experimentally. As a result, the same responses are frequently generated for two challenges with small Hamming distance. Also, particular bits of challenges have a great impact on the responses. In conclusion, BR-PUFs are not suitable for achieving Approach (A)securely. In future work, we should discuss an alternative PUF suitable for secure Approach (A).(2) In order to achieve Approach (B) securely, a secret key ? generated from a PUF response?should have high entropy. We propose a novel method of extracting high entropy from PUF responses. The core idea is to effectively utilize the information on the proportion of ‘1’s including in repeatedly-measured PUF responses. We evaluate its effectiveness by fabricated test chips. As a result, the extracted entropy is about 1.72 times as large as that without the proposed method.Finally, we organize newly gained knowledge in this thesis, and discuss a new application of PUF-based technologies.電気通信大学201

Lightweight Digital Hardware Random Number Generators

Abstract — Random Number Generator (RNG) plays an essential role in many sensor network systems and applications, such as security and robust communication. We have developed the first digital hardware random number generator (DHRNG). DHRNG has a small footprint and requires ultra-low energy. It uses a new recursive structure that directly targets efficient FPGA implementation. The core idea is to place or extract random values in FPGA configuration bits and randomly connect the building blocks. We present our architecture, introduce accompanying protocols for secure public key communication, and adopt the NIST randomness test on the DHRNG’s output stream. I

Contributions on using embedded memory circuits as physically unclonable functions considering reliability issues

[eng] Moving towards Internet-of-Things (IoT) era, hardware security becomes a crucial research topic, because of the growing demand of electronic products that are remotely connected through networks. Novel hardware security primitives based on manufacturing process variability are proposed to enhance the security of the IoT systems. As a trusted root that provides physical randomness, a physically unclonable function is an essential base for hardware security. SRAM devices are becoming one of the most promising alternatives for the implementation of embedded physical unclonable functions as the start-up value of each bit-cell depends largely on the variability related with the manufacturing process. Not all bit-cells experience the same degree of variability, so it is possible that some cells randomly modify their logical starting value, while others will start-up always at the same value. However, physically unclonable function applications, such as identification and key generation, require more constant logical starting value to assure high reliability in PUF response. For this reason, some kind of post-processing is needed to correct the errors in the PUF response. Unfortunately, those cells that have more constant logic output are difficult to be detected in advance. This work characterizes by simulation the start-up value reproducibility proposing several metrics suitable for reliability estimation during design phases. The aim is to be able to predict by simulation the percentage of cells that will be suitable to be used as PUF generators. We evaluate the metrics results and analyze the start-up values reproducibility considering different external perturbation sources like several power supply ramp up times, previous internal values in the bit-cell, and different temperature scenarios. The characterization metrics can be exploited to estimate the number of suitable SRAM cells for use in PUF implementations that can be expected from a specific SRAM design.[cat] En l’era de la Internet de les coses (IoT), garantir la seguretat del hardware ha esdevingut un tema de recerca crucial, en especial a causa de la creixent demanda de productes electrònics que es connecten remotament a través de xarxes. Per millorar la seguretat dels sistemes IoT, s’han proposat noves solucions hardware basades en la variabilitat dels processos de fabricació. Les funcions físicament inclonables (PUF) constitueixen una font fiable d’aleatorietat física i són una base essencial per a la seguretat hardware. Les memòries SRAM s’estan convertint en una de les alternatives més prometedores per a la implementació de funcions físicament inclonables encastades. Això és així ja que el valor d’encesa de cada una de les cel·les que formen els bits de la memòria depèn en gran mesura de la variabilitat pròpia del procés de fabricació. No tots els bits tenen el mateix grau de variabilitat, així que algunes cel·les canvien el seu estat lògic d’encesa de forma aleatòria entre enceses, mentre que d’altres sempre assoleixen el mateix valor en totes les enceses. No obstant això, les funcions físicament inclonables, que s’utilitzen per generar claus d’identificació, requereixen un valor lògic d’encesa constant per tal d’assegurar una resposta fiable del PUF. Per aquest motiu, normalment es necessita algun tipus de postprocessament per corregir els possibles errors presents en la resposta del PUF. Malauradament, les cel·les que presenten una resposta més constant són difícils de detectar a priori. Aquest treball caracteritza per simulació la reproductibilitat del valor d’encesa de cel·les SRAM, i proposa diverses mètriques per estimar la fiabilitat de les cel·les durant les fases de disseny de la memòria. L'objectiu és ser capaç de predir per simulació el percentatge de cel·les que seran adequades per ser utilitzades com PUF. S’avaluen els resultats de diverses mètriques i s’analitza la reproductibilitat dels valors d’encesa de les cel·les considerant diverses fonts de pertorbacions externes, com diferents rampes de tensió per a l’encesa, els valors interns emmagatzemats prèviament en les cel·les, i diferents temperatures. Es proposa utilitzar aquestes mètriques per estimar el nombre de cel·les SRAM adients per ser implementades com a PUF en un disseny d‘SRAM específic.[spa] En la era de la Internet de las cosas (IoT), garantizar la seguridad del hardware se ha convertido en un tema de investigación crucial, en especial a causa de la creciente demanda de productos electrónicos que se conectan remotamente a través de redes. Para mejorar la seguridad de los sistemas IoT, se han propuesto nuevas soluciones hardware basadas en la variabilidad de los procesos de fabricación. Las funciones físicamente inclonables (PUF) constituyen una fuente fiable de aleatoriedad física y son una base esencial para la seguridad hardware. Las memorias SRAM se están convirtiendo en una de las alternativas más prometedoras para la implementación de funciones físicamente inclonables empotradas. Esto es así, puesto que el valor de encendido de cada una de las celdas que forman los bits de la memoria depende en gran medida de la variabilidad propia del proceso de fabricación. No todos los bits tienen el mismo grado de variabilidad. Así pues, algunas celdas cambian su estado lógico de encendido de forma aleatoria entre encendidos, mientras que otras siempre adquieren el mismo valor en todos los encendidos. Sin embargo, las funciones físicamente inclonables, que se utilizan para generar claves de identificación, requieren un valor lógico de encendido constante para asegurar una respuesta fiable del PUF. Por este motivo, normalmente se necesita algún tipo de posprocesado para corregir los posibles errores presentes en la respuesta del PUF. Desafortunadamente, las celdas que presentan una respuesta más constante son difíciles de detectar a priori. Este trabajo caracteriza por simulación la reproductibilidad del valor de encendido de celdas SRAM, y propone varias métricas para estimar la fiabilidad de las celdas durante las fases de diseño de la memoria. El objetivo es ser capaz de predecir por simulación el porcentaje de celdas que serán adecuadas para ser utilizadas como PUF. Se evalúan los resultados de varias métricas y se analiza la reproductibilidad de los valores de encendido de las celdas considerando varias fuentes de perturbaciones externas, como diferentes rampas de tensión para el encendido, los valores internos almacenados previamente en las celdas, y diferentes temperaturas. Se propone utilizar estas métricas para estimar el número de celdas SRAM adecuadas para ser implementadas como PUF en un diseño de SRAM específico

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

On Improving Robustness of Hardware Security Primitives and Resistance to Reverse Engineering Attacks

The continued growth of information technology (IT) industry and proliferation of interconnected devices has aggravated the problem of ensuring security and necessitated the need for novel, robust solutions. Physically unclonable functions (PUFs) have emerged as promising secure hardware primitives that can utilize the disorder introduced during manufacturing process to generate unique keys. They can be utilized as \textit{lightweight} roots-of-trust for use in authentication and key generation systems. Unlike insecure non-volatile memory (NVM) based key storage systems, PUFs provide an advantage -- no party, including the manufacturer, should be able to replicate the physical disorder and thus, effectively clone the PUF. However, certain practical problems impeded the widespread deployment of PUFs. This dissertation addresses such problems of (i) reliability and (ii) unclonability. Also, obfuscation techniques have proven necessary to protect intellectual property in the presence of an untrusted supply chain and are needed to aid against counterfeiting. This dissertation explores techniques utilizing layout and logic-aware obfuscation. Collectively, we present secure and cost-effective solutions to address crucial hardware security problems

Design of Hardware with Quantifiable Security against Reverse Engineering

Semiconductors are a 412 billion dollar industry and integrated circuits take on important roles in human life, from everyday use in smart-devices to critical applications like healthcare and aviation. Saving today\u27s hardware systems from attackers can be a huge concern considering the budget spent on designing these chips and the sensitive information they may contain. In particular, after fabrication, the chip can be subject to a malicious reverse engineer that tries to invasively figure out the function of the chip or other sensitive data. Subsequent to an attack, a system can be subject to cloning, counterfeiting, or IP theft. This dissertation addresses some issues concerning the security of hardware systems in such scenarios. First, the issue of privacy risks from approximate computing is investigated in Chapter 2. Simulation experiments show that the erroneous outputs produced on each chip instance can reveal the identity of the chip that performed the computation, which jeopardizes user privacy. The next two chapters deal with camouflaging, which is a technique to prevent reverse engineering from extracting circuit information from the layout. Chapter 3 provides a design automation method to protect camouflaged circuits against an adversary with prior knowledge about the circuit\u27s viable functions. Chapter 4 provides a method to reverse engineer camouflaged circuits. The proposed reverse engineering formulation uses Boolean Satisfiability (SAT) solving in a way that incorporates laser fault injection and laser voltage probing capabilities to figure out the function of an aggressively camouflaged circuit with unknown gate functions and connections. Chapter 5 addresses the challenge of secure key storage in hardware by proposing a new key storage method that applies threshold-defined behavior of memory cells to store secret information in a way that achieves a high degree of protection against invasive reverse engineering. This approach requires foundry support to encode the secrets as threshold voltage offsets in transistors. In Chapter 6, a secret key storage approach is introduced that does not rely on a trusted foundry. This approach only relies on the foundry to fabricate the hardware infrastructure for key generation but not to encode the secret key. The key is programmed by the IP integrator or the user after fabrication via directed accelerated aging of transistors. Additionally, this chapter presents the design of a working hardware prototype on PCB that demonstrates this scheme. Finally, chapter 7 concludes the dissertation and summarizes possible future research

Very-Large-Scale-Integration Circuit Techniques in Internet-of-Things Applications

Heading towards the era of Internet-of-things (IoT) means both opportunity and challenge for the circuit-design community. In a system where billions of devices are equipped with the ability to sense, compute, communicate with each other and perform tasks in a coordinated manner, security and power management are among the most critical challenges. Physically unclonable function (PUF) emerges as an important security primitive in hardware-security applications; it provides an object-specific physical identifier hidden within the intrinsic device variations, which is hard to expose and reproduce by adversaries. Yet, designing a compact PUF robust to noise, temperature and voltage remains a challenge. This thesis presents a novel PUF design approach based on a pair of ultra-compact analog circuits whose output is proportional to absolute temperature. The proposed approach is demonstrated through two works: (1) an ultra-compact and robust PUF based on voltage-compensated proportional-to-absolute-temperature voltage generators that occupies 8.3× less area than the previous work with the similar robustness and twice the robustness of the previously most compact PUF design and (2) a technique to transform a 6T-SRAM array into a robust analog PUF with minimal overhead. In this work, similar circuit topology is used to transform a preexisting on-chip SRAM into a PUF, which further reduces the area in (1) with no robustness penalty. In this thesis, we also explore techniques for power management circuit design. Energy harvesting is an essential functionality in an IoT sensor node, where battery replacement is cost-prohibitive or impractical. Yet, existing energy-harvesting power management units (EH PMU) suffer from efficiency loss in the two-step voltage conversion: harvester-to-battery and battery-to-load. We propose an EH PMU architecture with hybrid energy storage, where a capacitor is introduced in addition to the battery to serve as an intermediate energy buffer to minimize the battery involvement in the system energy flow. Test-case measurements show as much as a 2.2× improvement in the end-to-end energy efficiency. In contrast, with the drastically reduced power consumption of IoT nodes that operates in the sub-threshold regime, adaptive dynamic voltage scaling (DVS) for supply-voltage margin removal, fully on-chip integration and high power conversion efficiency (PCE) are required in PMU designs. We present a PMU–load co-design based on a fully integrated switched-capacitor DC-DC converter (SC-DC) and hybrid error/replica-based regulation for a fully digital PMU control. The PMU is integrated with a neural spike processor (NSP) that achieves a record-low power consumption of 0.61 µW for 96 channels. A tunable replica circuit is added to assist the error regulation and prevent loss of regulation. With automatic energy-robustness co-optimization, the PMU can set the SC-DC’s optimal conversion ratio and switching frequency. The PMU achieves a PCE of 77.7% (72.2%) at VIN = 0.6 V (1 V) and at the NSP’s margin-free operating point