Hybrid low-voltage physical unclonable function based on inkjet-printed metal-oxide transistors

Modern society is striving for digital connectivity that demands information security. As an emerging technology, printed electronics is a key enabler for novel device types with free form factors, customizability, and the potential for large-area fabrication while being seamlessly integrated into our everyday environment. At present, information security is mainly based on software algorithms that use pseudo random numbers. In this regard, hardware-intrinsic security primitives, such as physical unclonable functions, are very promising to provide inherent security features comparable to biometrical data. Device-specific, random intrinsic variations are exploited to generate unique secure identifiers. Here, we introduce a hybrid physical unclonable function, combining silicon and printed electronics technologies, based on metal oxide thin film devices. Our system exploits the inherent randomness of printed materials due to surface roughness, film morphology and the resulting electrical characteristics. The security primitive provides high intrinsic variation, is non-volatile, scalable and exhibits nearly ideal uniqueness

Using physical unclonable functions for hardware authentication: a survey

Physical unclonable functions (PUFs) are drawing a crescent interest in hardware oriented security due to their special characteristics of simplicity and safety. However, their nature as well as early stage of study makes them constitute currently a diverse and non-standardized set for designers. This work tries to establish one organization of existing PUF structures, giving guidelines for their choice, conditioning, and adaptation depending on the target application. In particular, it is described how using PUFs adequately could enlighten significantly most of the security primitives, making them very suitable for authenticating constrained resource platforms.Junta de Andalucía P08-TIC-03674Comunidad Europea FP7-INFSO-ICT-248858Ministerio de Ciencia y Tecnología TEC2008-04920, DPI2008-03847 y TEC2007-6510

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

Stochastic Memory Devices for Security and Computing

With the widespread use of mobile computing and internet of things, secured communication and chip authentication have become extremely important. Hardware-based security concepts generally provide the best performance in terms of a good standard of security, low power consumption, and large-area density. In these concepts, the stochastic properties of nanoscale devices, such as the physical and geometrical variations of the process, are harnessed for true random number generators (TRNGs) and physical unclonable functions (PUFs). Emerging memory devices, such as resistive-switching memory (RRAM), phase-change memory (PCM), and spin-transfer torque magnetic memory (STT-MRAM), rely on a unique combination of physical mechanisms for transport and switching, thus appear to be an ideal source of entropy for TRNGs and PUFs. An overview of stochastic phenomena in memory devices and their use for developing security and computing primitives is provided. First, a broad classification of methods to generate true random numbers via the stochastic properties of nanoscale devices is presented. Then, practical implementations of stochastic TRNGs, such as hardware security and stochastic computing, are shown. Finally, future challenges to stochastic memory development are discussed

Subwavelength Engineering of Silicon Photonic Waveguides

The dissertation demonstrates subwavelength engineering of silicon photonic waveguides in the form of two different structures or avenues: (i) a novel ultra-low mode area v-groove waveguide to enhance light-matter interaction; and (ii) a nanoscale sidewall crystalline grating performed as physical unclonable function to achieve hardware and information security. With the advancement of modern technology and modern supply chain throughout the globe, silicon photonics is set to lead the global semiconductor foundries, thanks to its abundance in nature and a mature and well-established industry. Since, the silicon waveguide is the heart of silicon photonics, it can be considered as the core building block of modern integrated photonic systems. Subwavelength structuring of silicon waveguides shows immense promise in a variety of field of study, such as, tailoring electromagnetic near fields, enhancing light-matter interactions, engineering anisotropy and effective medium effects, modal and dispersion engineering, nanoscale sensitivity etc. In this work, we are going to exploit the boundary conditions of modern silicon photonics through subwavelength engineering by means of novel ultra-low mode area v-groove waveguide to answer long-lasting challenges, such as, fabrication of such sophisticated structure while ensuring efficient coupling of light between dissimilar modes. Moreover, physical unclonable function derived from our nanoscale sidewall crystalline gratings should give us a fast and reliable optical security solution with improved information density. This research should enable new avenues of subwavelength engineered silicon photonic waveguide and answer to many unsolved questions of silicon photonics foundries