基于晶体管的PUF设备制造技术

本公开涉及基于晶体管的PUF设备。本公开涉及用于生成持久性随机数的PUF设备和方法。生成的数是随机的，因为每个特定的PUF设备实例都应生成与所有其他PUF设备的实例随机不同的数，并且是持久的，因为每个PUF设备的特定实例都应在可接受的误差纠正公差内重复生成相同的数。通过选择一个或多个PUF单元(每个均包括设计相同的匹配的晶体管对)并比较该对的导通特性(例如，导通阈值电压或栅‑源电压)来确定持久性随机数。每个选定的晶体管对的导通特性差异是由晶体管之间的随机制造差异引起的。这会导致PUF设备的每个不同实例之间的随机性，并且随着时间的推移应该相对稳定以提供所生成数的持久性。

【技术实现步骤摘要】
基于晶体管的PUF设备
本公开涉及基于晶体管的物理不可克隆函数(PUF)。
技术介绍
物理不可克隆函数或“PUF”是一种物理实体，能够为该特定PUF所特有的给定输入(“挑战”)生成输出(“响应”)，使得可以将其视为“指纹”。这种能力通常是通过设计PUF来实现的，其输出方式取决于由于制造上的细微变化而在每个装置中随机不同的特征。因此，即使完全了解其电路布局，也无法轻易地以正确的指纹来复制PUF。该响应可以用于各种不同目的，例如在加密操作中以确保与包含PUF的装置之间的通信安全，或者用于对包括PUF的装置身份进行身份验证的方法等。
技术实现思路
本公开涉及用于生成持久性随机数的PUF设备。数是随机的，因为每个特定的PUF设备实例都应生成与所有其他PUF设备的实例随机不同的数，并且是持久的，因为每个PUF设备的特定实例都应在可接受的误差纠正公差内重复生成相同的数。通过选择一个或多个PUF单元(每个均包括设计相同的匹配的晶体管对)并比较该对的导通特性(例如，导通阈值电压或栅-源电压)来确定随机数。每个选定的晶体管对的导通特性差异是由晶体管之间的随机制造差异引起的，这会导致PUF设备的每个不同实例之间的随机性，随着时间的推移应该相对稳定，这有助于生成数的持久性。PUF设备可以包括一个或多个PUF单元，每个PUF单元包括：一些物理特征，这些物理特征由于制造上的微小变化而在每个设备中随机地不同；以及一些确定电路，被配置为从每个PUF单元中读出PUF值。PUF设备可以被配置为使得确定电路可以从每个PUF单元中读出随机PUF值并且基于PUF值来产生持久性随机数。然后，将持久性随机数用作确定对“挑战”的“响应”的一部分。例如，PUF设备可以从另一个电路接收“挑战”，确定电路然后可以从PUF单元读取持久随机数，并且PUF设备然后可以基于“挑战”和“持久性随机数”来确定“响应”(例如，但执行某种加密操作，例如哈希或XOR，或使用“挑战”和持久性随机数进行加密)。持久性随机数是随机的，因为其值取决于不同PUF设备之间较小的随机制造偏差。因此，尽管PUF设备的不同实例在设计上相同，但每个实例都应生成不同的持久性随机数。随机数是“永久性”的，因为随着时间的流逝，它应该保持不变或保持在可接受的范围内。例如，由PUF设备的一个或多个PUF单元生成的永久随机数在每次生成时应相同(或保持在可接受的范围内，例如以便可以使用纠错码ECC进行校正)，这样它就可以充当设备的可靠指纹。在本公开的第一方面，提供物理不可克隆函数PUF设备，包括：多个PUF单元，每个PUF单元包括:多个晶体管,其中所述多个晶体管包括:用于晶体管导通特性比较的一对匹配的晶体管,和用于选择所述PUF单元的选择机构,和其中每个PUF单元中的所述多个晶体管都是相同的晶体管类型；和确定单元，被配置为:在所述多个PUF单元中的至少一个中的每一个中使用所述选择机构来选择所述多个PUF单元中的至少一个；对于每个选定的PUF单元，至少部分地基于选定的PUF单元中的匹配的晶体管对的导通特性的比较来确定晶体管差值,其中所述晶体管差值指示选定的PUF单元中的匹配的晶体管对之间的随机制造差异；和至少部分地基于至少一个确定的晶体管差值来确定PUF输出。选择机构可包括所述晶体管对的栅极端子，和其中确定单元被配置为通过向所述PUF单元中的匹配的晶体管对中的一个或多个栅极端子施加选择电位来选择PUF单元。选择机构可包括与匹配的晶体管对耦合的一个或多个选择晶体管，和其中所述确定单元被配置为通过向所述一个或多个选择晶体管施加选择电位来控制所述一个或多个选择晶体管的操作以选择PUF单元。匹配的晶体管对的导通特性的比较可包括所述匹配的晶体管对的栅-源电压的比较。确定单元可被配置为通过以下方式来确定用于选定的PUF单元的晶体管差值：(a)将第一输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第一晶体管；将第二输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第二晶体管；和通过比较在施加第一输入信号时的第一晶体管的导通特性和在施加第二输入信号时的第二晶体管的导通特性，确定第一晶体管比较值；然后(b)将第二输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第一晶体管；将第一输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第二晶体管；和通过比较在施加第二输入信号时的第一晶体管的导通特性和在施加第一输入信号时的第二晶体管的导通特性，确定第二晶体管比较值；以及然后(c)基于所述第一晶体管比较值和所述第二晶体管比较值来确定所述晶体管差值(例如基于第一和第二晶体管比较值的总和、平均值或差异)。确定单元(170)可被配置为:在(a)中，同时将所述第一输入信号施加到所述第一晶体管并且将所述第二输入信号施加到所述第二晶体管；和在(b)中，同时将所述第二输入信号施加到所述第一晶体管并且将所述第一输入信号施加到所述第二晶体管。确定单元(170)还可包括：至少一个第一电流源(232x)，被配置为输出第一电流信号；和第二电流源(234x)，被配置为输出第二电流信号；其中所述第一输入信号包括所述第一电流信号，并且所述第二输入信号包括所述第二电流信号。所述第一输入信号可包括所述第一电压信号，并且所述第二输入信号包括所述第二电压信号。所述第一电压信号和所述第二电压信号中的至少一个随时间变化。确定单元可被配置为:在确定用于选定的PUF单元的第一晶体管比较值期间，将所述第一电压信号施加到所述第一晶体管的栅极端子，并且将所述第二电压信号施加到所述第二晶体管的栅极端子；和在确定用于选定的PUF单元的第二晶体管比较值期间，将所述第二电压信号施加到所述第一晶体管的栅极端子，并且将所述第一电压信号施加到所述第一晶体管的栅极端子，以旋转所述PUF单元。选择机构可包括所述匹配的晶体管对的栅极端子,和其中所述第一电压信号和所述第二电压信号还用作用于选择所述PUF单元的选择电位。匹配的晶体管对可被配置为差分对，和其中匹配的晶体管对形成比较器的输入。晶体管差值可包括指示所述匹配的晶体管对之间的随机制造差异的数字值，并且其中确定单元包括用于确定所述晶体管差值的模数转换器,和其中所述模数转换器包括比较器。每个匹配的晶体管对可包括第一晶体管和第二晶体管，和其中所述第一晶体管包括第一子晶体管和第二子晶体管，和其中所述第二晶体管包括第三子晶体管和第四子晶体管，和其中所述第一子晶体管、第二子晶体管、第三子晶体管和第四子晶体管以半导体布局布置，使得所述第一晶体管的质心与所述第二晶体管的质心基本相同。第一子晶体管、第二子晶体管、第三子晶体管和第四子晶体管可以以半导体布局布置，使得：当所述第一晶体管导通电流时，所述第一子晶体管中的沟道电流在所述半导体中沿第一方向流动，并且所述第二子晶体管中的沟道电流在所述半导体中沿第二方向流动，和当所述第二晶体管导通电流时，所述第三子晶体管和所述第四子晶体管中一个中的沟道电流沿第一方向流动，并且所述第三子晶体管和所述第四子晶体管中另一个中的沟道电流沿第二方向流动，和其中在所述半导体布局中，所述第一方向和所述第二方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.物理不可克隆函数PUF设备，包括：/n多个PUF单元，每个PUF单元包括：/n多个晶体管，其中所述多个晶体管包括：/n用于晶体管导通特性比较的一对匹配的晶体管，和/n用于选择所述PUF单元的选择机构，并且其中每个PUF单元中的所述多个晶体管都是相同的晶体管类型；和/n确定单元，被配置为：/n在所述多个PUF单元中的至少一个中的每一个中使用所述选择机构来选择所述多个PUF单元中的至少一个；/n对于每个选定的PUF单元，至少部分地基于选定的PUF单元中的匹配的晶体管对的导通特性的比较来确定晶体管差值，其中所述晶体管差值指示选定的PUF单元中的匹配的晶体管对之间的随机制造差异；和/n至少部分地基于至少一个确定的晶体管差值来确定PUF输出。/n

【技术特征摘要】
20190308 US 16/296,9981.物理不可克隆函数PUF设备，包括：
多个PUF单元，每个PUF单元包括：
多个晶体管，其中所述多个晶体管包括：
用于晶体管导通特性比较的一对匹配的晶体管，和
用于选择所述PUF单元的选择机构，并且其中每个PUF单元中的所述多个晶体管都是相同的晶体管类型；和
确定单元，被配置为：
在所述多个PUF单元中的至少一个中的每一个中使用所述选择机构来选择所述多个PUF单元中的至少一个；
对于每个选定的PUF单元，至少部分地基于选定的PUF单元中的匹配的晶体管对的导通特性的比较来确定晶体管差值，其中所述晶体管差值指示选定的PUF单元中的匹配的晶体管对之间的随机制造差异；和
至少部分地基于至少一个确定的晶体管差值来确定PUF输出。


2.权利要求1所述的设备，其中所述选择机构包括所述晶体管对的栅极端子，和
其中所述确定单元被配置为通过向所述PUF单元中的匹配的晶体管对中的一个或多个栅极端子施加选择电位来选择PUF单元。


3.权利要求1所述的设备，其中所述选择机构包括与匹配的晶体管对耦合的一个或多个选择晶体管，和
其中所述确定单元被配置为通过向所述一个或多个选择晶体管施加选择电位来控制所述一个或多个选择晶体管的操作以选择PUF单元。


4.权利要求1所述的设备，其中所述匹配的晶体管对的导通特性的比较包括所述匹配的晶体管对的栅-源电压的比较。


5.权利要求1所述的设备，其中所述确定单元被配置为通过以下方式来确定用于选定的PUF单元的晶体管差值：
(a)将第一输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第一晶体管；
将第二输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第二晶体管；和
通过比较在施加第一输入信号时的第一晶体管的导通特性和在施加第二输入信号时的第二晶体管的导通特性，确定第一晶体管比较值；然后
(b)将第二输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第一晶体管；
将第一输入信号施加到所述匹配的晶体管对的第二晶体管；和
通过比较在施加第二输入信号时的第一晶体管的导通特性和在施加第一输入信号时的第二晶体管的导通特性，确定第二晶体管比较值；以及然后
(c)基于所述第一晶体管比较值和所述第二晶体管比较值来确定所述晶体管差值。


6.权利要求5所述的设备，其中所述确定单元被配置为:
在(a)中，同时将所述第一输入信号施加到所述第一晶体管并且将所述第二输入信号施加到所述第二晶体管；和
在(b)中，同时将所述第二输入信号施加到所述第一晶体管并且将所述第一输入信号施加到所述第二晶体管。


7.权利要求5所述的设备，其中所述确定单元还包括:
至少一个第一电流源，被配置为输出第一电流信号；和
第二电流源，被配置为输出第二电流信号；
其中所述第一输入信号包括所述第一电流信号，并且所述第二输入信号包括所述第二电流信号。


8.权利要求5所述的设备，其中所述第一输入信号包括第一电压信号，并且所述第二输入信号包括第二电压信号。


9.权利要求8所述的设备，其中所述第一电压信号和所述第二电压信号中的至少一个随时间变化。


10.权利要求8所述的设备，其中所述确定单元被配置为:
在确定用于选定的PUF单元的第一晶体管比较值期间，将所述第一电压信号施加到所述第一晶体管的栅极端子，并且将所述第二电压信号施加到所述第二晶体管的栅极端子；和
在确定用于选定的PUF单元的第二晶体管比较值期间，将所述第二电压信号施加到...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·D·赫维茨，
申请(专利权)人：亚德诺半导体国际无限责任公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE