一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路制造技术

本发明专利技术提供了一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路，包括列译码器、行译码器、16个列单、模拟多路选择器、反相器，所述每个列单元包括16个基本单元，所述16个列单元组成一个16x16大小的单元阵列，每个基本单元包括两个电压基准源以及一个二极管钳位比较器，每一列16个基本单元的输出端通过同一条读出线与模拟多路选择器的输入端连接，所有单元都工作在亚阈值区，模拟多路选择器的输出端与反相器的输入端连接，最终通过反相器的跳变电压点进行比较后转换成数字信号输出。本发明专利技术的电压基准源在宽温度以及电压范围内具有极强的稳定性，整个电压基准源阵列都工作在亚阈值区域，总功耗也在很大程度上得到了优化。

A High Reliability Physical Nonclonal Function Circuit Based on Two-Transistor Voltage Reference Source

【技术实现步骤摘要】
一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路[
]本专利技术涉及芯片安全
，特别涉及一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路。[
技术介绍
]随着物联网的快速发展，数据的储存和处理更多依赖于分布式的本地设备而不是中心服务器。平衡敏感信息的安全与有限的芯片面积及功耗间的关系变得更加具有挑战性。对比用于身份验证的加密算法的密钥始终需要储存在非易失性存储器(NVM)中，物理不可克隆函数(PUF)的密钥可以在系统通电的瞬间产生，从而完全摆脱了对密钥储存的需要，而且每个芯片产生的数据流都是独特的。此外，也符合低功耗和低成本的要求。PUF能利用不同电路的不同物理结构来产生输出，如果不破坏芯片结构，PUF极难被复制或者破解。PUF卓越的不可预测性以及不可克隆的性都来源于半导体制造过程中产生的工艺误差，使其对一定范围内的侵入性或半侵入性物理攻击有一定的抵抗能力。在过去以及实现的PUF中可以大体分为weak型，例如电流镜阵列型PUF和strong型，例如仲裁器型PUF，环形振荡器型PUF。两种类型最主要的差别在于它们能够产生的输出数量级的差距。在都具有相同位数n位的输入时，strong型能够产生2的n次方位输出，而weak型只能产生n位或者2n位输出。PUF的功能实现方式类似与数学方程，它充当了输入激励和输出响应的映射关系。当输入改变时，输出也会随之发生变化，而且对于每个输入来说，它对应的输出都是唯一的。这些相互对应的输入输出关系被称之为激励响应对(CRP)。为了使PUF能在各种物联网环境中正常工作，可靠性以及功耗成为PUF在设计过程中的重要性能参数。在文献1中提出了完全静态和单稳态两种结构的PUF。静态PUF在单个信号产生的过程没有瞬时噪声的参与，而半稳态结构虽然有噪声参与，噪声依然无法对输出产生影响。整个设计虽然能耗为15fJ/bit，并且在不同温度以及电源电压的条件下的最差平均可靠性分别可到达99.53％和99.87％，但是消耗了极大的面积。在文献2中，阐述了一个基于与绝对温度成正比(PTAT)结构的紧凑PUF的实现方式。不幸的是，这个设计在温度发生改变的情况下可靠性相对脆弱，最差情况下的误码率(BER)为3.5％。在文献4里，一种基于亚阈值电压基准源阵列的新型PUF实现方式被提出。使用一个双向计数器异步比较一对电压基准源的输出电压，并且在最坏情况下，过滤不稳定单元产生的信号后，可靠性可以从97.60％提升到了99.51％，但是整个电路的工作速度较慢。[
技术实现思路
]本专利技术目的在于解决在使用额外的错误修正技术时会增加的功耗，面积，成本等问题，依靠自身结构直接减少错误发生的概率，提升工作速度。为了实现上述目的，提出了一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路，包括列译码器、行译码器、16个列单、模拟多路选择器、反相器，所述每个列单元包括16个基本单元，所述16个列单元组成一个16x16大小的单元阵列，每个基本单元包括两个电压基准源以及一个二极管钳位比较器，每一列16个基本单元的输出端通过同一条读出线与模拟多路选择器的输入端连接，所有单元都工作在亚阈值区，模拟多路选择器的输出端与反相器的输入端连接，最终通过反相器的跳变电压点进行比较后转换成数字信号输出。进一步地，所述电压基准源由双MOS管组成，通过本征NMOS(NVT)和普通PMOS(RVT)串联组成，本征NMOS的栅极接地，使整个结构均工作在亚阈值区。进一步地，二极管钳位比较器由4个二极管钳位反相器以及一个普通反相器组成，4个反相器底部NMOS的栅极与两个电压基准源的输出相连。进一步地，所述一对电压基准源完全相同，对电压基准源输出电压差通过二极管钳位比较器进行放大，最后转换成数字信号输出。进一步地，16x16阵列的单元均被相互隔开，数字化的输出只通过列总线耦合，以降低不同单元相互影响。进一步地，所述基本单元与行译码器相连，所述行列译码器作行列选，从阵列中选出基本单元产生输出。与现有技术相比，本技术方案基于双MOS管结构电压基准源和二极管钳位比较器的PUF。电压基准源在宽温度以及电压范围内具有极强的稳定性，这些特性可极大提高PUF的可靠性，并且，双MOS管电压基准源很好的兼顾了可靠性以及单位面积。整个电压基准源阵列都工作在亚阈值区域，总功耗也在很大程度上得到了优化，同时，二极管钳位比较器通过对两个电压基准源的输出电压对比来产生PUF的输出。[附图说明]图1(a)为本专利技术PUF的整体结构。图1(b)为本专利技术单元阵列的电压基准源结构。图1(c)为本专利技术单元阵列的二极管钳位比较器。图2(a)为本专利技术电压基准源的TC特性仿真。图2(b)为本专利技术电压基准源的输出电压的供电电压的关系。图3(a)为本专利技术反相器转移特性曲线和翻转点。图3(b)为本专利技术Vref和Vtrip的相互关系。。图4为本专利技术温度和电压的变化时对应的可靠性。图5为本专利技术唯一性的测试结果。图6为本专利技术ACF测试结果。图7为本专利技术随机性测试结果。图8为本专利技术和当前最新成果性能对比。[具体实施方式]为了使本专利技术实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本专利技术。实施例：如图1，此方案的总体结构包括16x16的单元阵列，每个单元包括一对亚阈值电压基准源以及一个二极管钳位比较器。外围电路用于读取PUF阵列产生的随机输出，包括行/列译码器(decoder)，模拟多路选择器(NMOS管组成，MUX)，反相器(将输出数字化，INV)。对两个完全相同的电压基准源的输出电压进行比较，而输出电压的根本差别来源于半导体制造过程中的工艺误差。细微的差异通过特别设计的比较器放大，最终转换成数字信号输出。为了尽可能降低不同单元相互影响以及提高可靠性，16x16阵列的单元均被相互隔开，数字化的输出只通过列总线耦合。此外，在系统通电后，所有单元产生的输出电压都是稳定的，不受任何瞬态噪声影响。与此同时，所有单元都工作在亚阈值区，以减少总体功耗。单元内部结构的详细电路如图1(b)(c)，每个单元都包括两个电压基准源和一个二极管钳位比较器。理想的电压源能够产生不受环境因素影响的稳定电压，这能极大程度上的提高PUF对环境的稳定性。双MOS管组成的电压源能很好减小的PUF的单元面积。电压基准源由本征NMOS(NVT)和普通PMOS(RVT)串联组成，本征NMOS的栅极接地，使整个结构均工作在亚阈值区。此电压基准源的漏电流可通过与以下公式计算：μ为载流子迁移率，Cox为栅氧单位面积电容，W/L为MOS管的宽长比，Vth为阈值电压，Vgs/Vgd为栅源/栅漏极之间的电压，Vt为热电压等于KT/q。NMOS和PMOS串联，输出电压Vref可以通过方程(1)，(2)，(3)进行计算。这里采用的本征NMOS管和普通PMOS管巨大的阈值电压差异来满足器件的Vds大于200mV，以忽略亚阈值漏极电流对Vds的依赖性。方程(3)的第二部分与温度成正比，斜率由电压基准源内部的MOS尺寸决定。通过适当的尺寸调整，可以极大降低Vref的温度系数(TC)。根据蒙特卡洛仿真，Vref和温度之间的关系如图2(a)所示，从-40℃到120℃的平均TC为20.99ppm/℃，标准差为12.93ppm/℃。同时，Vref和电源电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路，包括列译码器、行译码器、16个列单、模拟多路选择器、反相器，所述每个列单元包括16个基本单元，所述16个列单元组成一个16x16大小的单元阵列，每个基本单元包括两个电压基准源以及一个二极管钳位比较器，每一列16个基本单元的输出端通过同一条读出线与模拟多路选择器的输入端连接，所有单元都工作在亚阈值区，模拟多路选择器的输出端与反相器的输入端连接，最终通过反相器的跳变电压点进行比较后转换成数字信号输出。

【技术特征摘要】
2019.04.22 CN 20191032158981.一种基于二管结构电压基准源的高可靠性物理不可克隆函数电路，包括列译码器、行译码器、16个列单、模拟多路选择器、反相器，所述每个列单元包括16个基本单元，所述16个列单元组成一个16x16大小的单元阵列，每个基本单元包括两个电压基准源以及一个二极管钳位比较器，每一列16个基本单元的输出端通过同一条读出线与模拟多路选择器的输入端连接，所有单元都工作在亚阈值区，模拟多路选择器的输出端与反相器的输入端连接，最终通过反相器的跳变电压点进行比较后转换成数字信号输出。2.根据权利要求1所述的高可靠性物理不可克隆函数电路，其特征在于，所述电压基准源由双MOS管组成，通过本征NMOS(NVT)和普通PMO...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锦，赵强，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44