Barrel Shifter Physical Unclonable Function Based Encryption

Physical Unclonable Functions (PUFs) are circuits designed to extract physical randomness from the underlying circuit. This randomness depends on the manufacturing process. It differs for each device enabling chip-level authentication and key generation applications. We present a protocol utilizing a PUF for secure data transmission. Parties each have a PUF used for encryption and decryption; this is facilitated by constraining the PUF to be commutative. This framework is evaluated with a primitive permutation network - a barrel shifter. Physical randomness is derived from the delay of different shift paths. Barrel shifter (BS) PUF captures the delay of different shift paths. This delay is entangled with message bits before they are sent across an insecure channel. BS-PUF is implemented using transmission gates; their characteristics ensure same-chip reproducibility, a necessary property of PUFs. Post-layout simulations of a common centroid layout 8-level barrel shifter in 0.13 {\mu}m technology assess uniqueness, stability and randomness properties. BS-PUFs pass all selected NIST statistical randomness tests. Stability similar to Ring Oscillator (RO) PUFs under environment variation is shown. Logistic regression of 100,000 plaintext-ciphertext pairs (PCPs) failed to successfully model BS- PUF behavior

Segurança de computadores por meio de autenticação intrínseca de hardware

Orientadores: Guido Costa Souza de Araújo, Mario Lúcio Côrtes e Diego de Freitas AranhaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Neste trabalho apresentamos Computer Security by Hardware-Intrinsic Authentication (CSHIA), uma arquitetura de computadores segura para sistemas embarcados que tem como objetivo prover autenticidade e integridade para código e dados. Este trabalho está divido em três fases: Projeto da Arquitetura, sua Implementação, e sua Avaliação de Segurança. Durante a fase de projeto, determinamos como integridade e autenticidade seriam garantidas através do uso de Funções Fisicamente Não Clonáveis (PUFs) e propusemos um algoritmo de extração de chaves criptográficas de memórias cache de processadores. Durante a implementação, flexibilizamos o projeto da arquitetura para fornecer diferentes possibilidades de configurações sem comprometimento da segurança. Então, avaliamos seu desempenho levando em consideração o incremento em área de chip, aumento de consumo de energia e memória adicional para diferentes configurações. Por fim, analisamos a segurança de PUFs e desenvolvemos um novo ataque de canal lateral que circunvê a propriedade de unicidade de PUFs por meio de seus elementos de construçãoAbstract: This work presents Computer Security by Hardware-Intrinsic Authentication (CSHIA), a secure computer architecture for embedded systems that aims at providing authenticity and integrity for code and data. The work encompassed three phases: Design, Implementation, and Security Evaluation. In design, we laid out the basic ideas behind CSHIA, namely, how integrity and authenticity are employed through the use of Physical Unclonable Functions (PUFs), and we proposed an algorithm to extract cryptographic keys from the intrinsic memories of processors. In implementation, we made CSHIA¿s design more flexible, allowing different configurations without compromising security. Then, we evaluated CSHIA¿s performance and overheads, such as area, energy, and memory, for multiple configurations. Finally, we evaluated security of PUFs, which led us to develop a new side-channel-based attack that enabled us to circumvent PUFs¿ uniqueness property through their architectural elementsDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2015/06829-2; 2016/25532-3147614/2014-7FAPESPCNP

Roadmap on optical security

Postprint (author's final draft

G-PUF : asoftware-only PUF for GPUs

Physical Unclonable Functions (PUFs) are security primitives which allow the generation of unique IDs and security keys. Their security stems from the inherent process variations of silicon chips manufacturing, and the minute random effects introduced in integrated circuits. PUFs usually are manufactured speciffically for this purpose, but in the last few years several proposals have developed PUFs from off-the-shelf components. These Intrinsic PUFs avoid modifications in the hardware and explore the low cost of adapting existing technologies. Graphical Processing Units (GPUs) present themselves as promising candidates for an Intrinsic PUF. GPUs are massively multi-processed systems originally built for graphical computing and more recently re-designed for general computing. These devices are distributed across a variety of systems and application environments, from computer vision platforms, to server clusters and home computers. Building PUFs with software-only strategies is a challenging problem, since a PUF must evaluate process variations without rendering system performance, characteristics which are easily done in hardware. In this work we present G-PUF, an intrinsic PUF technology running entirely on CUDA. The proposed solution maps the distribution of soft-errors in matrix multiplications when the GPU is running on adversarial conditions of overclock and undervoltage. The resulting error map will be unique to each GPU, and using a novel Challenge-Response Pair extraction algorithm, G-PUF is able to retrieve secure-keys or an device ID without disclosing information about the PUF randomness. The system was tested in real setups and requires no modifications whatsoever to an already operational GPU. G-PUF was capable of achieving upwards of 94.73% of reliability without any error correction code and can provide up to 253 unique Challenge-Response Pairs.Physically Unclonable Functions (PUFs) são primitivas de segurança que permitem a criação de identidades únicas e de chaves seguras. Sua segurança deriva das variações de processo intrínsecas à fabricação de chips de silício, e os diminutos efeitos aleatórios introduzidos em circuitos integrados. PUFs normalmente são fabricados especificamente para esse propósito, mas nos últimos anos várias propostas desenvolveram PUFs com componentes comuns. Esses PUFs Intrínsecos evitam modificações de hardware e exploram o baixo custo de adaptar tecnologias já existentes. Unidades de Processamento Gráfico (GPUs) se apresentam como candidatos promissores para um PUF Intrínseco. GPUs são sistemas massivamente multi-processados, desenvolvidos originalmente para computação gráfica e mais recentemente reprojetadas para computação genérica. Esses dispositivos estão distribuidos através de uma variedade de sistemas e aplicações, desde plataformas de visão computacional até clusters de servidores e computadores pessoais. Construir PUFs com estratégias puramente em software é um processo desafiador, já que um PUF deve avaliar variações de processo sem afetar a performance do sistema, características que são mais facilmente alcançáceis em hardware. Nesse trabalho, apresentamos o G-PUF, uma tecnologia de PUF Intrínseco rodando puramente em CUDA. A solução proposta mapeia a distribuição de soft-errors em multiplicações de matrizes, enquanto a GPU opera em condições adversas como overclock e subalimentação. O mapa de erros resultante será único para cada GPU, e utilizando um novo algorítmo para a extração de pares de desafio-resposta, o G-PUF consegue extrair chaves seguras e a identidade do dispositivo sem revelar informações sobre a sua aleatoriedade. O sistema foi testado em condições reais e não requer nenhuma modificação para um sistema de GPU já em operação. G-PUF foi capaz de alcançar uma reliability de até 94.73% sem utilizar nenhum código de correção de erros e pode prover até 253 pares de desafio-resposta únicos

Comparison of Quantum PUF models

Physical unclonable functions (PUFs) are hardware structures in a physical system (e.g. semiconductor, crystals etc.) that are used to enable unique identification of the semiconductor or to secure keys for cryptographic processes. A PUF thus generates a noisy secret reproducible at runtime. This secret can either be used to authenticate the chip, or it is available as a cryptographic key after removing the noise. Latest advancements in the field of quantum hardware, in some cases claiming to achieve quantum supremacy, highly target the fragility of current RSA type classical cryptosystems. As a solution, one would like to develop Quantum PUFs to mitigate such problem. There are several approaches for this technology. In our work we compare these different approaches and introduce the requirements for QTOKSim, a quantum token based authentication simulator testing its performance on a multi-factor authentication protocol