一种高可靠性ROPUF电路及其激励产生方法技术

本发明专利技术公开了一种高可靠性RO PUF电路及其激励产生方法，包含了RRAM随机源模块、控制编程模块和测量模块，测量模块中的两路环形振荡器电路由1个电流饥饿型与非门和8个电流饥饿型反相器组成，利用RRAM阵列给电流饥型环形振荡器提供参考电流。本设计通过调节控制电压，使MOS管工作在亚阈值区域，从而降低了环形振荡器对温度变化的敏感性，提高了PUF的可靠性，同时显著降低了电路总体的功耗。此外，本发明专利技术提出了一种激励产生方法，通过比较RRAM阵列中各列电流的大小，删除掉暴露的激励响应对，从而可以抵抗密码分析攻击，提高该PUF的安全性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性RO PUF电路及其激励产生方法


[0001]本专利技术属于硬件安全领域，特别涉及了一种基于新型阻变存储器RRAM的环形振荡器物理不可克隆函数电路设计。

技术介绍

[0002]由于物联网和云计算的普及，终端设备面临着巨大的安全威胁。大多数密钥存储在非易失性存储器(NVM)中，物理攻击(如侧信道分析)可以很容易地获取其中的密钥。因此，物联网设备需要一种更安全的密钥存储方式来保障系统的安全性。PUF是一种有前景的硬件安全原语，它利用集成电路(IC)制造工艺和环境的变化所引入的工艺误差作为密钥，在近几十年来随着电子器件的爆炸式增长而得到了快速发展。当对PUF输入相应激励时，PUF可以产生唯一并且不可预测的响应，PUF基于这种激励响应对(CRP)，通过比较数据库中存储的激励响应对和PUF电路产生的激励响应对可以实现设备身份认证。根据PUF中激励响应对的数量，PUF一般可分为弱PUF和强PUF。强PUF中激励响应对的数量呈指数型增长，而弱PUF中激励响应对的数量很少，大多数情况下只有一个。因此，强PUF通常用于设备认证，弱PUF通常用于密钥生成。
[0003]最初的PUF设计大都基于FPGA和ASIC，最经典的PUF设计包括SRAM PUF、RO PUF和仲裁器PUF。SRAM PUF为弱PUF，SRAM在制造过程中由于晶体管的不匹配性，会导致的SRAM处于亚稳定性，随机并稳定地处于“0”或者“1”的状态，以此产生唯一的响应值。ROPUF和仲裁器PUF为强PUF。RO PUF利用反相器之间的延时差，提取RO振荡频率的差异，通过比较不同RO的振荡频率从而产生唯一的响应值。仲裁器PUF利用2选1的多路复用器(MUX)作为基本元件，由于MUX内部两条通路存在延时差，所以仲裁器通过比较最终两路信号的到达顺序从而产生唯一的响应值。
[0004]由于CMOS技术工艺制程逐渐进入瓶颈，逻辑密度正在逼近物理极限，CMOS尺寸缩小将会导致更多的问题。因此，beyond CMOS时代需要寻求新型的纳米器件。RRAM作为一种新型非易失性存储器，拥有面积小、功耗低的巨大优势，并且其可以与CMOS技术相兼容。RRAM是一种先进的存储架构，其中存在着大量的随机源，适用于新型PUF设计。通过施加适当幅度的正向或反向电压，RRAM可以在高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)之间进行转换。然而，RRAM在写入过程中电阻变化的不稳定性、保留损失或热敏感性等影响可能会在响应产生阶段引起位翻转。利用RRAM可以实现PUF功能，例如：在施加合适的中位电压时，RRAM单元将有一半的单元被设置为HRS，另一半的单元被设置为LRS，从而产生随机密钥，但该种机制容易受到各种电源电压和环境温度的影响。
[0005]常规RO PUF虽然易于实现，并且对于信号噪声的抵抗性较强，但是其对于环境变化(温度、供电电压等)较为敏感，导致常规RO PUF的可靠性较低，同时RO PUF由于需要大量的环形振荡器作为随机源，消耗了较大的电路面积。并且由于常规RO PUF的振荡频率较高，电路总体功耗也较大。因此，亟需基于新型存储器的高可靠性低功耗RO PUF电路设计。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决上述
技术介绍
中提及的技术问题，提供一种高可靠性RO PUF电路及其激励产生方法。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]本专利技术提供一种高可靠性RO PUF电路，包括随机源模块、控制编程模块和测量模块，随机源模块为RRAM单元阵列，测量模块包括两路电流饥饿型环形振荡器电路、计数电路和数字比较电路，控制编程模块对随机源模块RRAM单元进行写操作产生随机源参考电流，将RRAM单元器件到器件的阻值差异映射到两路电流饥饿型环形振荡器电路中，使两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO产生不同的振荡频率变化，控制编程模块对两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO产生的振荡频率进行采集、判断比较并输出结果，其中，随机源参考电流通过RRAM阵列中不同的RRAM单元组合生成，使RO PUF电路在两路电流饥饿型环形振荡器电路下实现重构。
[0009]进一步的，控制编程模块包括四个信号：R/W信号、Meas信号、Comp信号和Clk信号，R/W信号对RRAM单元进行写操作，Meas信号控制计数电路测量两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO振荡频率并进行数据采集，Comp信号控制数字比较电路对采集到的两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO振荡频率进行比较，Clk信号用于给计数电路提供固定的时钟信号控制计数时间。
[0010]进一步的，电流饥饿型环形振荡器电路包括首尾相连的1个电流饥饿型与非门和8个电流饥饿型反相器，电流饥饿型反相器包括2个PMOS和2个NMOS，顶部的PMOS和底部的NMOS作为电流镜的输出电路，中间的PMOS和NMOS作为常规反相器，电流饥饿型与非门增加顶部的PMOS和底部的NMOS作为电流镜的输出电路。
[0011]进一步的，电流饥饿型环形振荡器电路中的所有电流镜共用一个参考电流和输入电路，参考电流由可调节的控制电压V
ctrl
经过随机源模块的RRAM阵列产生，在RRAM阵列中随机选择两行，每行中选择任意数量的RRAM单元作为随机源提供参考电流，参考电流通过电流镜模块的两个NMOS组成的电流镜复制到PMOS电流镜的输入端M3，通过每个电流饥饿型反相器的顶部PMOS电流镜和底部NMOS电流镜输出到常规反相器中，控制所有常规反相器的延时，通过调节控制电压V
ctrl
使电流饥饿型环形振荡器的MOS管工作在亚阈值区域。
[0012]进一步的，计数电路包括1个16
‑
bit的定时器和2个20
‑
bit的计数器，定时器用于保证两个计数器的计数时间一致，2个计数器分别对两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO振荡频率进行计数。
[0013]本专利技术还提供了一种高可靠性RO PUF电路的激励产生方法，包括四个循环步骤，分别为循环i、循环p、循环j和循环k。循环i和循环p遍历RRAM阵列中所有列的组合，i从1开始每个循环增加1(即从第一列开始，每个循环往后选择一列)，而在i的每个循环中p都从i开始增加到n(即从第i列开始，每个循环往后选择一列，直到最后一列n)。因此，i可以选择到每一列，而在i的每个循环中，循环p都可以选择到i之后所有列的组合，这样便可以遍历阵列中所有列的组合。同样的，所述的循环j和k遍历RRAM阵列中所有行的组合。四个循环步骤可以遍历基于RRAM阵列的RO PUF所有的激励响应对，对激励响应对进行判定，比较上周期与本周期的结果，如果上周期结果为I
t1，j
‑1＞I
t2，j
，且本周期结果为I
t2，k
＞I
t1，j
‑1，则删除比较I
t2，k
和I
t2，j
的激励响应对；如果上周期结果为I
t1，j
‑1＜I
t2，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性RO PUF电路，其特征在于，包括随机源模块、控制编程模块和测量模块，所述的随机源模块为RRAM单元阵列，测量模块包括两路电流饥饿型环形振荡器电路、计数电路和数字比较电路，控制编程模块对随机源模块RRAM单元进行写操作产生随机源参考电流，将RRAM单元器件到器件的阻值差异映射到两路电流饥饿型环形振荡器电路中，使两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO产生不同的振荡频率变化，控制编程模块对两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO产生的振荡频率进行采集、判断比较并输出结果，其中，随机源参考电流通过RRAM阵列中不同的RRAM单元组合生成，使RO PUF电路在两路电流饥饿型环形振荡器电路下实现重构。2.根据权利要求1所述的一种高可靠性RO PUF电路，其特征在于，所述的控制编程模块包括四个信号：R/W信号、Meas信号、Comp信号和Clk信号，R/W信号对RRAM单元进行写操作，Meas信号控制计数电路测量两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO振荡频率并进行数据采集，Comp信号控制数字比较电路对采集到的两路电流饥饿型环形振荡器电路的RO振荡频率进行比较，Clk信号用于给计数电路提供固定的时钟信号控制计数时间。3.根据权利要求1所述的一种高可靠性RO PUF电路，其特征在于，所述的电流饥饿型环形振荡器电路包括首尾相连的1个电流饥饿型与非门和8个电流饥饿型反相器，所述的电流饥饿型反相器包括2个PMOS和2个NMOS，顶部的PMOS和底部的NMOS作为电流镜的输出电路，中间的PMOS和NMOS作为常规反相器，所述的电流饥饿型与非门增加顶部的PMOS和底部的NMOS作为电流镜的输出电路。4.根据权利要求3所述的一种高可靠性RO PUF电路，其特征在于，所述的电流饥饿型环形振荡器电路中的所有电流镜共用一个参考电流和输入电路，所述的参考电流由可调节的控制电压V
ctrl
经过随机源模块的RRAM阵列产生，在RRAM阵列中随机选择两行，每行中选择任意数量的RRAM单元作为随机源提供参考电流，所述的参考电流通过电流镜模块的两个NMOS复制到PMOS电流镜的输入端，通过每个电流饥饿型反相器的顶部PMOS电流镜和底部NMOS电流镜输出到常规反相器中，控制所有常规反相器的延时，通过调节控制电压V
ctrl
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【专利技术属性】
技术研发人员：黎江，崔益军，贾强，王振林，李延，袁艳芳，高向东，陈奇辉，耿震磊，王保胜，杨伟峰，仲俊杰，刘伟强，王成华，
申请(专利权)人：北京智芯微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：