Emerging physical unclonable functions with nanotechnology

Physical unclonable functions (PUFs) are increasingly used for authentication and identification applications as well as the cryptographic key generation. An important feature of a PUF is the reliance on minute random variations in the fabricated hardware to derive a trusted random key. Currently, most PUF designs focus on exploiting process variations intrinsic to the CMOS technology. In recent years, progress in emerging nanoelectronic devices has demonstrated an increase in variation as a consequence of scaling down to the nanoregion. To date, emerging PUFs with nanotechnology have not been fully established, but they are expected to emerge. Initial research in this area aims to provide security primitives for emerging integrated circuits with nanotechnology. In this paper, we review emerging nanotechnology-based PUFs

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

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

ENERGY-EFFICIENT AND SECURE HARDWARE FOR INTERNET OF THINGS (IoT) DEVICES

Internet of Things (IoT) is a network of devices that are connected through the Internet to exchange the data for intelligent applications. Though IoT devices provide several advantages to improve the quality of life, they also present challenges related to security. The security issues related to IoT devices include leakage of information through Differential Power Analysis (DPA) based side channel attacks, authentication, piracy, etc. DPA is a type of side-channel attack where the attacker monitors the power consumption of the device to guess the secret key stored in it. There are several countermeasures to overcome DPA attacks. However, most of the existing countermeasures consume high power which makes them not suitable to implement in power constraint devices. IoT devices are battery operated, hence it is important to investigate the methods to design energy-efficient and secure IoT devices not susceptible to DPA attacks. In this research, we have explored the usefulness of a novel computing platform called adiabatic logic, low-leakage FinFET devices and Magnetic Tunnel Junction (MTJ) Logic-in-Memory (LiM) architecture to design energy-efficient and DPA secure hardware. Further, we have also explored the usefulness of adiabatic logic in the design of energy-efficient and reliable Physically Unclonable Function (PUF) circuits to overcome the authentication and piracy issues in IoT devices. Adiabatic logic is a low-power circuit design technique to design energy-efficient hardware. Adiabatic logic has reduced dynamic switching energy loss due to the recycling of charge to the power clock. As the first contribution of this dissertation, we have proposed a novel DPA-resistant adiabatic logic family called Energy-Efficient Secure Positive Feedback Adiabatic Logic (EE-SPFAL). EE-SPFAL based circuits are energy-efficient compared to the conventional CMOS based design because of recycling the charge after every clock cycle. Further, EE-SPFAL based circuits consume uniform power irrespective of input data transition which makes them resilience against DPA attacks. Scaling of CMOS transistors have served the industry for more than 50 years in providing integrated circuits that are denser, and cheaper along with its high performance, and low power. However, scaling of the transistors leads to increase in leakage current. Increase in leakage current reduces the energy-efficiency of the computing circuits,and increases their vulnerability to DPA attack. Hence, it is important to investigate the crypto circuits in low leakage devices such as FinFET to make them energy-efficient and DPA resistant. In this dissertation, we have proposed a novel FinFET based Secure Adiabatic Logic (FinSAL) family. FinSAL based designs utilize the low-leakage FinFET device along with adiabatic logic principles to improve energy-efficiency along with its resistance against DPA attack. Recently, Magnetic Tunnel Junction (MTJ)/CMOS based Logic-in-Memory (LiM) circuits have been explored to design low-power non-volatile hardware. Some of the advantages of MTJ device include non-volatility, near-zero leakage power, high integration density and easy compatibility with CMOS devices. However, the differences in power consumption between the switching of MTJ devices increase the vulnerability of Differential Power Analysis (DPA) based side-channel attack. Further, the MTJ/CMOS hybrid logic circuits which require frequent switching of MTJs are not very energy-efficient due to the significant energy required to switch the MTJ devices. In the third contribution of this dissertation, we have investigated a novel approach of building cryptographic hardware in MTJ/CMOS circuits using Look-Up Table (LUT) based method where the data stored in MTJs are constant during the entire encryption/decryption operation. Currently, high supply voltage is required in both writing and sensing operations of hybrid MTJ/CMOS based LiM circuits which consumes a considerable amount of energy. In order to meet the power budget in low-power devices, it is important to investigate the novel design techniques to design ultra-low-power MTJ/CMOS circuits. In the fourth contribution of this dissertation, we have proposed a novel energy-efficient Secure MTJ/CMOS Logic (SMCL) family. The proposed SMCL logic family consumes uniform power irrespective of data transition in MTJ and more energy-efficient compared to the state-of-art MTJ/ CMOS designs by using charge sharing technique. The other important contribution of this dissertation is the design of reliable Physical Unclonable Function (PUF). Physically Unclonable Function (PUF) are circuits which are used to generate secret keys to avoid the piracy and device authentication problems. However, existing PUFs consume high power and they suffer from the problem of generating unreliable bits. This dissertation have addressed this issue in PUFs by designing a novel adiabatic logic based PUF. The time ramp voltages in adiabatic PUF is utilized to improve the reliability of the PUF along with its energy-efficiency. Reliability of the adiabatic logic based PUF proposed in this dissertation is tested through simulation based temperature variations and supply voltage variations

A PUF based Lightweight Hardware Security Architecture for IoT

With an increasing number of hand-held electronics, gadgets, and other smart devices, data is present in a large number of platforms, thereby increasing the risk of security, privacy, and safety breach than ever before. Due to the extreme lightweight nature of these devices, commonly referred to as IoT or `Internet of Things\u27, providing any kind of security is prohibitive due to high overhead associated with any traditional and mathematically robust cryptographic techniques. Therefore, researchers have searched for alternative intuitive solutions for such devices. Hardware security, unlike traditional cryptography, can provide unique device-specific security solutions with little overhead, address vulnerability in hardware and, therefore, are attractive in this domain. As Moore\u27s law is almost at its end, different emerging devices are being explored more by researchers as they present opportunities to build better application-specific devices along with their challenges compared to CMOS technology. In this work, we have proposed emerging nanotechnology-based hardware security as a security solution for resource constrained IoT domain. Specifically, we have built two hardware security primitives i.e. physical unclonable function (PUF) and true random number generator (TRNG) and used these components as part of a security protocol proposed in this work as well. Both PUF and TRNG are built from metal-oxide memristors, an emerging nanoscale device and are generally lightweight compared to their CMOS counterparts in terms of area, power, and delay. Design challenges associated with designing these hardware security primitives and with memristive devices are properly addressed. Finally, a complete security protocol is proposed where all of these different pieces come together to provide a practical, robust, and device-specific security for resource-limited IoT systems