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

Flexible Physical Unclonable Functions based on non-deterministically distributed Dye-Doped Fibers and Droplets

The development of new anti-counterfeiting solutions is a constant challenge and involves several research fields. Much interest is devoted to systems that are impossible to clone, based on the Physical Unclonable Function (PUF) paradigm. In this work, new strategies based on electrospinning and electrospraying of dye-doped polymeric materials are presented for the manufacturing of flexible free-standing films that embed different PUF keys. Films can be used to fabricate anticounterfeiting labels having three encryption levels: i) a map of fluorescent polymer droplets, with non deterministic positions on a dense yarn of polymer nanofibers; ii) a characteristic fluorescence spectrum for each label; iii) a challenge-response pairs (CRPs) identification protocol based on the strong nature of the physical unclonable function. The intrinsic uniqueness introduced by the deposition techniques encodes enough complexity into the optical anti-counterfeiting tag to generate thousands of cryptographic keys. The simple and cheap fabrication process as well as the multilevel authentication makes such colored polymeric unclonable tags a practical solution in the secure protection of merchandise in our daily life

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

Innovative polymer nanoparticles for energy storage and anti-counterfeiting applications

La nanociencia y la nanotecnología representan uno de los campos más interesantes de la ciencia moderna, con un carácter altamente multi- e interdisciplinar, ya que combina diferentes disciplinas como la química, la biología, la física y la ingeniería, aprovechando sus principios y procesos. Los nanomateriales han estado presentes en la naturaleza y en la vida desde tiempos ancestrales. Sin embargo, no es hasta la revolución industrial cuando se desarrollan nuevas herramientas tecnológicas que propiciarán en el futuro un gran interés por el estudio de los nanomateriales. Una de las grandes características de los nanomateriales es que presentan propiedades diferentes al disminuir su tamaño a nivel nanométrico ya que poseen una mayor área superficial. Las nanopartículas poliméricas (PNPs) han recibido recientemente mucho interés y tienen un papel clave en diversas áreas como fotónica, electrónica, sensores, medicina, control de la contaminación y tecnología ambiental. La transformación del polímero disponible a granel en un material polimérico de tamaño nanométrico ha proporcionado la aparición de propiedades nuevas e interesantes sin cambiar la composición del polímero. Con el fin de desarrollar nuevos dispositivos de alta tecnología para diversas aplicaciones, los investigadores necesitan controlar mejor la estructura y la función de las nanopartículas poliméricas comprendiendo el papel del tamaño, la forma y la composición. La interfaz de investigación en la que las nanopartículas poliméricas se encuentran con la química analítica, la biomedicina, la construcción, la electroquímica y otros campos ofrece ricas oportunidades para revelar nuevas propiedades químicas, médicas y biológicas de los nanomateriales y descubrir muchas funciones y aplicaciones nuevas de estos materiales. Las nanopartículas poliméricas, por tanto, representan una plataforma para poder desarrollar nuevas aplicaciones, estudiando nuevas rutas sintéticas para obtener las propiedades óptimas para cada aplicación deseada. En la tesis, se describen los avances recientes en la síntesis de nuevas nanopartículas poliméricas con propiedades avanzadas mediante diferentes estrategias. Las estrategias sintéticas incluyen la síntesis química y física para la producción controlada de nanopartículas poliméricas con morfologías bien definidas. En concreto, se desarrollaron diferentes tipos de nanopartículas con altas prestaciones en aplicaciones en almacenamiento de energía y en el campo de la antifalsificación. Los beneficios tecnológicos que se han desarrollado en la tesis doctoral residen en el diseño de los nuevos nanomateriales con potenciales aplicaciones que además pueden aportar valor a tecnologías y productos ya existentes, como además dar soluciones a problemas medioambientales y sociales actuales. Estas nuevas rutas sintéticas y pruebas de concepto creadas en la presente tesis doctoral generan nuevo conocimiento que da valor tanto a nivel académico como industrial.

Direct laser printing of high-resolution physically unclonable anti-counterfeit labels

Security labels combining facile structural color readout and physically unclonable one-way function (PUF) approach provide promising strategy for fighting against forgery of marketable products. Here, we justify direct femtosecond-laser printing, a simple and scalable technology, for fabrication of high-resolution (12500 dots per inch) and durable PUF labels with a substantially large encoding capacity of 10$^{895}$ and a simple spectroscopy-free optical signal readout. The proposed tags are comprised of laser-printed plasmonic nanostructures exhibiting unique light scattering behavior and unclonable 3D geometry. Uncontrollable stochastic variation of the nanostructure geometry in the process of their spot-by-spot printing results in random and broadband variation of the scattering color of each laser printed "pixel", making laser-printed patterns unique and suitable for PUF labeling.Comment: 5 pages, 3 figure

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