Reducing bit flipping problems in SRAM physical unclonable functions for chip identification

Physical Unclonable functions (PUFs) have appeared as a promising solution to provide security in hardware. SRAM PUFs offer the advantage, over other PUF constructions, of reusing resources (memories) that already exist in many designs. However, their intrinsic noisy nature produces the so called bit flipping effect, which is a problem in circuit identification and secret key generation. The approaches reported to reduce this effect usually resort to the use of pre- and post-processing steps (such as Fuzzy Extractor structures combined with Error Correcting Codes), which increase the complexity of the system. This paper proposes a pre-processing step that reduces bit flipping problems without increasing the hardware complexity. The proposal has been verified experimentally with 90-nm SRAMs included in digital application specific integrated circuits (ASICs).Junta de Andalucía P08-TIC-03674Ministerio de Economía y Competitividad TEC2011-24319Comunidad Europea FP7-INFSO-ICT-24885

Diseño de circuitos integrados y seguridad de circuitos criptográficos frente a ataques

Muchos sistemas electrónicos incorporan dispositivos criptográficos que implementan algoritmos que cifran la información almacenada. Pero aun cuando los algoritmos sean muy seguros, estos dispositivos pueden llegar a revelar cierta información debido a su implementación física, mediante el empleo de los llamados ataques laterales. Estos ataques hacen uso de información obtenida durante del funcionamiento del circuito para obtener información sobre la clave utilizada. Por lo tanto, hay que cuidar la implementación física de los dispositivos criptográficos, para minimizar la posibilidad de pérdida de información mediante estos ataques. En nuestras líneas de investigación estamos trabajando en analizar la vulnerabilidad de implementaciones de circuitos criptográficos, fundamentalmente cifradores de clave privada, frente a ataques laterales pasivos y activos. Estos ataques obtienen información de la clave almacenada mediante la medida de magnitudes físicas como el consumo de potencia o la radiación electromagnética durante el funcionamiento del circuito o alterando las condiciones de funcionamiento para introducirles fallos y comparar las salidas sin y con fallos. En esta comunicación presentamos un breve resumen del estado del arte en los ataques laterales sobre implementaciones hardware de cifradores, algunos de los temas en los que estamos trabajando y algunos resultados obtenidos por nuestro grupo de investigación.Many electronic systems include devices that implement cryptographic algorithms that encrypt stored information. But even if the algorithms are very safe, these devices can reveal some information because of its physical implementation, through the use of so-called side channel attacks. These attacks make use of information obtained during the operation of the circuit to obtain information of the used key. Therefore, we must take care of the physical implementation of cryptographic devices to minimize the possibility of loss of information through these types of attacks. In our research we are working on analyzing the vulnerability of implementations of cryptographic circuits, mainly private key ciphers, against side channel attacks, passive and active. These attacks obtain key information stored by measuring physical quantities such as power consumption or electromagnetic radiation during operation of the circuit, or altering the operating conditions to introduce faults and compare the output with and without faults. In this paper we present a brief summary of the state of art of side channel attacks on ciphers hardware implementations, some of the topics we are working and some results obtained by our research group.Junta de Andalucía CRIPTO-BIO (Diseño Microelectrónico para Autenticación Cripto-Biométrica)Ministerio de Ciencia y Tecnología (España) P08-TIC3674, CITIES (Circuitos Integrados para transmisión de información especialmente segura)Ministerio de Economía y Competitividad (España) TEC2010-16870 y CESAR (Circuitos microelectrónicos seguros frente a ataques laterales) y TEC2013-45523-

Reducing bit flipping problems in SRAM physical unclonable functions for chip identification

Comunicación presentada al "19th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems" celebrada en Sevilla (España) del 9 al 12 de Diciembre del 2012.Physical Unclonable functions (PUFs) have appeared as a promising solution to provide security in hardware. SRAM PUFs offer the advantage, over other PUF constructions, of reusing resources (memories) that already exist in many designs. However, their intrinsic noisy nature produces the so called bit flipping effect, which is a problem in circuit identification and secret key generation. The approaches reported to reduce this effect usually resort to the use of pre- and post-processing steps (such as Fuzzy Extractor structures combined with Error Correcting Codes), which increase the complexity of the system. This paper proposes a pre-processing step that reduces bit flipping problems without increasing the hardware complexity. The proposal has been verified experimentally with 90-nm SRAMs included in digital application specific integrated circuits (ASICs).This work was partially supported by Junta de Andalucía under the Project P08-TIC-03674 and by Spanish Ministerio de Economía y Competitividad under the Project TEC2011-24319 (both with support from FEDER), and by the European Community through the MOBY-DIC Project FP7-INFSO-ICT-248858 (www.mobydic-project.eu).Peer Reviewe

Improved Generation of Identifiers, Secret Keys, and Random Numbers From SRAMs

This paper presents a method to simultaneously improve the quality of the identifiers, secret keys, and random numbers that can be generated from the start-up values of standard static random access memories (SRAMs). The method is based on classifying memory cells after evaluating their start-up values at multiple measurements in a registration phase. The registration can be done without unplugging the device from its application context, and with no need for a complex laboratory setup. The method has been validated experimentally with standard low-power SRAM modules in two different application specific integrated circuits (ASICs) fabricated with the 90-nm TSMC technology. The results show that with a simple registration the length of the identifiers can be reduced by 45%, the worst case bit error probability (which defines the complexity of the error correcting code needed to recover a secret key) can be reduced by 64%, and the worst case minimum entropy value is improved, thus reducing the number of bits that have to be processed to obtain full entropy by 81%. The method can be applied to standard digital designs by controlling the external power supply to the SRAM using software or by incorporating simple circuitry in the design. In the latter case, a module for implementing the method in an ASIC designed in the 90-nm TSMC technology occupies an active area of 42, $025~mu text{m}^{mathrm {mathbf {2}}}

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

ENERGY-EFFICIENT FEATURE EXTRACTION ENGINE AND SECURE CHIP IDENTIFICATION FOR UBIQUITOUS SURVEILLANCE

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH