一种用于PUF的快速软判决取值生成方法技术

本发明专利技术公开了一种用于PUF的快速软判决取值生成方法，并给出了采用该方法的一个用于PUF的快速软判决取值生成方法的实现实例。用于PUF的快速软判决取值生成方法如下：只需要在注册阶段对每个挑战进行若干次PUF特征结果的提取，通过将PUF特征结果均值和响应判断阈值进行比较，就能够计算得到每个比特位对应的软判决值。在电路噪声相对工艺偏差较小的情况下，甚至只需要一次PUF特征结果提取就能得到软判决值。从而能够在保证应用阶段纠错失败概率足够小的前提下，大幅减少注册阶段响应和辅助数据的采集生成时间。

【技术实现步骤摘要】
一种用于PUF的快速软判决取值生成方法
本专利技术涉及芯片安全，特别是需要验证芯片真伪和保护存储器数据的物理不可克隆函数。
技术介绍
物理不可克隆函数(PUF)被称之为“芯片指纹”技术。通过提取芯片在制造过程中所产生的差异，就能够生成芯片独特的“指纹”信息。这些“指纹”信息可以用来验证芯片的真伪、保护存储器中的数据，在芯片的安全和防伪领域有着巨大的应用前景。无论是身份认证应用或者密钥生成应用，都需要物理不可克隆函数生成稳定不变的响应来支持这些应用。但是物理不可克隆函数的响应并不稳定，即对于同一个物理不可克隆函数，多次输入同样的挑战，输出的响应存在偏差。因此在PUF的整体架构设计中，除了需要设计出高稳定性的物理不可克隆函数，另一个很重要的问题就是如何快速有效的对不稳定的比特位进行纠错。基于PUF的各种应用基本都包括两个阶段：注册阶段和应用阶段。注册阶段即为芯片生产测试阶段，在该阶段生成PUF响应，通过纠错生成算法计算辅助数据，并将辅助数据记录下来。在应用阶段，期望能够得到和注册阶段完全相同的响应，而生成的PUF响应很大概率上存在偏差，因此通过纠错重构算法和辅助数据恢复注册阶段的响应。PUF的纠错方法包括硬判决纠错方法和软判决纠错方法。硬判决纠错方法只需要在注册阶段对每个挑战进行一次PUF响应结果的生成，因此注册阶段的数据采集生成时间十分短，但是这种方法的缺点是应用阶段的纠错重构算法失败概率较大。软判决纠错方法需要在注册阶段对每个挑战进行多次PUF响应结果的生成来得到每个比特位的软判决值，软判决值表明每个比特位的稳定情况。在应用阶段软判决值和由纠错生成算法计算得到的辅助数据被一起输入到纠错重构算法中。与硬判决算法相比，软判决算法的输入包含了额外的比特位稳定信息，从而能够降低纠错重构算法的纠错失败概率。然而由于需要进行上百次PUF响应结果的生成，才能够统计得到一个比特位的稳定信息，软判决纠错方法在注册阶段的数据采集生成时间非常长。本专利中提出的快速软判决取值生成方法，改进了原始的软判决纠错方法中的软判决取值生成方法，针对强PUF的特征结果呈正态分布的情况，只需要在注册阶段对每个挑战进行若干次PUF特征结果的提取，根据PUF特征结果均值和响应判断阈值的差值，就能够判断得到每个比特位的稳定情况，从而得到相应的软判决值。在电路噪声相对工艺偏差较小的情况下，甚至只需要一次PUF特征结果提取就能得到软判决值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于PUF的快速软判决取值生成方法，只需要在注册阶段对每个挑战进行若干次PUF特征结果的提取，通过将PUF特征结果均值和响应判断阈值进行比较，就能够计算得到每个比特位对应的软判决值。在电路噪声相对工艺偏差较小的情况下，甚至只需要一次PUF特征结果提取就能得到软判决值。从而能够在保证应用阶段纠错失败概率足够小的前提下，大幅减少注册阶段响应和辅助数据的采集生成时间。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于PUF的快速软判决取值生成方法，并给出了采用该方法的一个用于PUF的快速软判决取值生成方法的实现实例。本专利技术用于PUF的快速软判决取值生成方法如下：(1)注册阶段对PUF的每个挑战，采集x次对应的PUF特征结果，记为f0,f1,……,fx-1。注册阶段对PUF输入n个挑战，第i个挑战的x次PUF特征结果的平均值fmi＝(f0+f1+…+fx-1)/x。(2)记t为PUF响应的判断阈值，根据判断阈值t以及每个挑战对应的x次PUF特征结果，生成一位响应ri(0≤i≤n-1)。(3)计算差值绝对值di＝|fmi-t|(0≤i≤n-1)，记dmax为di的最大值。(4)从0到dmax划分出m个不重叠的区间，0≤区间0≤v0，v0<区间1≤v1，……，vm-3<区间(m-2)≤vm-2，vm-2<区间(m-1)≤dmax。(5)当差值di的取值属于区间j(0≤j≤m-1)，对应的软判决值si等于yj，满足y0<y1<……<ym-1。(6)软判决值s0,s1,……,sn-1被保存下来，用于应用阶段更有效的将带有噪声的响应恢复为注册阶段的响应r0,r1,……,rn-1。步骤1中的PUF特征结果，包括但不限于‘基于仲裁器PUF的两路延时通路的延时差’、‘基于环形振荡器累加和PUF的频率差值累加和’等。步骤2中的响应生成方法，包括当第i个挑战的x次PUF特征结果f0,f1,……,fx-1中多数大于等于t，则使得响应ri为1；当多数特征结果小于t，则使得响应ri为0。步骤2中的响应生成方法，包括当fmi大于等于t，则使得响应ri为1；当fmi小于t，则使得响应ri为0。步骤6中注册阶段需要保存的数据，除了响应的软判决值，还需要保存由纠错生成算法计算得到的辅助数据，这样才能在应用阶段通过纠错重构算法恢复注册阶段的响应。整体的纠错结构包括码字偏移方法和校正子方法。步骤6中的应用阶段软判决纠错方法，包括但不限于里德-穆勒码软判决纠错方法、格雷码软判决纠错方法等。下面对用于PUF的快速软判决取值生成方法的原理进行一下说明：本专利技术针对强PUF的特征结果大致呈正态分布的情况，如图1所示。对于多个挑战得到的强PUF特征结果，呈平均值为t、标准差为σv的正态分布，其中t为PUF响应的判断阈值，σv由工艺制造过程中引入的差异导致。对于某一特定挑战c，对于多次采集得到的强PUF特征结果，呈平均值为f、标准差为σN的正态分布，其中f为由挑战c得到的多次PUF特征结果的平均值，σN由电路噪声导致。当PUF特征结果平均值和响应判断阈值t的差值绝对值十分小时，如图1所示PUF特征结果平均值为f1的情况，在不同电路噪声的影响下，PUF响应结果并不稳定(其中圆形标注的区域响应结果为0，三角形标注的区域响应结果为1)。当PUF特征结果平均值和响应判断阈值t的差值绝对值较大时，如图1所示PUF特征结果平均值为f2的情况，可以看到即使存在电路噪声影响，PUF响应结果也十分稳定。记PUF特征结果均值和响应判决阈值的差值绝对值的最大值为dmax，从0到dmax划分出若干个不重叠的区间。根据PUF特征结果平均值所处的区间，就能够得到对应比特位的稳定信息，从而进一步得到软判决取值。当电路噪声比工艺偏差小很多的情况下，甚至只需要一次PUF特征结果的采集就能大致了解该比特位的稳定情况。本专利技术的有益效果在于：由于PUF的响应并不稳定，特别是在温度电压等外部环境变化的情况下。因此寻找快速有效的纠错方法，对于PUF的整体架构设计实现十分关键。传统的纠错方法有硬判决纠错方法和软判决纠错方法。硬判决纠错方法注册阶段数据采集生成时间短，但缺点在于应用阶段纠错失败概率较大；软判决纠错方法大幅降低了应用阶段的纠错失败概率，但是在注册阶段却需要上百次的PUF特征结果提取才能统计得到每个比特的软判决取值。本专利技术提出的快速软判决取值生成方法，只需要若干次注册阶段的PUF特征结果提取，就能够推算出软判决值。在电路噪声相比工艺偏差较小的情况下，甚至只需要一次PUF特征结果提取。相比原始软判决纠错方法，大幅减少了注册阶段软判决取值采集生成时间，并且不会对纠错失败概率带来任何负面影本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于PUF的快速软判决取值生成方法，其特征在于：步骤1，注册阶段对PUF的每个挑战，采集x次对应的PUF特征结果，记为f0,f1,……,fx‑1，注册阶段对PUF输入n个挑战，第i个挑战的x次PUF特征结果的平均值fmi＝(f0+f1+…+fx‑1)/x；步骤2，记t为PUF响应的判断阈值，根据判断阈值t以及每个挑战对应的x次PUF特征结果，生成一位响应ri(0≤i≤n‑1)；步骤3，计算差值绝对值di＝|fmi‑t|(0≤i≤n‑1)，记dmax为di的最大值；步骤4，从0到dmax划分出m个不重叠的区间，0≤区间0≤v0，v0<区间1≤v1，……，vm‑3<区间(m‑2)≤vm‑2，vm‑2<区间(m‑1)≤dmax；步骤5，当差值di的取值属于区间j(0≤j≤m‑1)，对应的软判决值si等于yj，满足y0<y1<……<ym‑1；步骤6，软判决值s0,s1,……,sn‑1被保存下来，用于应用阶段更有效的将带有噪声的响应

【技术特征摘要】
1.一种用于PUF的快速软判决取值生成方法，其特征在于：步骤1，注册阶段对PUF的每个挑战，采集x次对应的PUF特征结果，记为f0,f1,……,fx-1，注册阶段对PUF输入n个挑战，第i个挑战的x次PUF特征结果的平均值fmi＝(f0+f1+…+fx-1)/x；步骤2，记t为PUF响应的判断阈值，根据判断阈值t以及每个挑战对应的x次PUF特征结果，生成一位响应ri(0≤i≤n-1)；步骤3，计算差值绝对值di＝|fmi-t|(0≤i≤n-1)，记dmax为di的最大值；步骤4，从0到dmax划分出m个不重叠的区间，0≤区间0≤v0，v0&lt;区间1≤v1，……，vm-3&lt;区间(m-2)≤vm-2，vm-2&lt;区间(m-1)≤dmax；步骤5，当差值di的取值属于区间j(0≤j≤m-1)，对应的软判决值si等于yj，满足y0&lt;y1&lt;……&lt;ym-1；步骤6，软判决值s0,s1,……,sn-1被保存下来，用于应用阶段更有效的将带有噪声的响应恢复为注册阶段的响应r0,r1,…,rn-1。2.如权利要求1所述的一种用于PUF的快速软判决取值生成...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴佳晶，何玉明，
申请(专利权)人：上海华虹集成电路有限责任公司，北京中电华大电子设计有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31