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针对静态随机存取存储器物理不可克隆功能密钥提取的优化方法研究

姜冬梅 唐旭升 李冰 张清宇 何卫国

姜冬梅, 唐旭升, 李冰, 张清宇, 何卫国. 针对静态随机存取存储器物理不可克隆功能密钥提取的优化方法研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250551
引用本文: 姜冬梅, 唐旭升, 李冰, 张清宇, 何卫国. 针对静态随机存取存储器物理不可克隆功能密钥提取的优化方法研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250551
JIANG Dongmei, TANG Xusheng, LI Bing, ZHANG Qingyu, HE Weiguo. Research on Optimization Methods for Static Random-Access Memory–Physical Unclonable Function Key Extraction[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250551
Citation: JIANG Dongmei, TANG Xusheng, LI Bing, ZHANG Qingyu, HE Weiguo. Research on Optimization Methods for Static Random-Access Memory–Physical Unclonable Function Key Extraction[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250551

针对静态随机存取存储器物理不可克隆功能密钥提取的优化方法研究

doi: 10.11999/JEIT250551 cstr: 32379.14.JEIT250551
详细信息
    作者简介:

    姜冬梅:女,高级工程师,研究方向为高性能安全芯片、高速接口技术等

    唐旭升:男,研究生导师,研究方向为无线信息网络安全,芯片功能安全,电磁空间态势感知,无线信号处理,集成电路系统设计等

    李冰:男,教授,博士生导师,研究方向为数模混合集成电路设计、信息安全和云计算等

    张清宇:男,博士生,研究方向为数字电路设计、高性能计算、剩余数系统以及密码算法的硬件加速

    何卫国:男,研究员,博士生导师,研究方向为高性能安全芯片、集成电路等

    通讯作者:

    姜冬梅 jiangdm20014007@163.com

  • 中图分类号: TN918.91; TP309

Research on Optimization Methods for Static Random-Access Memory–Physical Unclonable Function Key Extraction

  • 摘要: 该文提出一种适应于比特筛选的静态随机存取存储器物理不可克隆功能(SRAM PUF)密钥提取新方案,使用SRAM的噪声单元生成密钥,使用SRAM的稳定单元重建PUF。该方案利用噪声单元的高熵特性,提高密钥熵值;基于稳定单元的低误码率优势,构建轻量级编解码体系,该方案的运算复杂度比方案2减少40%,比方案3减少98.9%,比方案4减少99.12%;通过实验数据统计出PUF单元变化率,并推导出PUF单元变化率与密钥重构成功率的关系,该方案密钥重构失败概率极低(1.4876E-9),比方案2和方案3降低4个数量级,比方案5降低1个数量级。最后,实验数据表明1 024字节的 SRAM 空间可提取128位满熵值密钥。
  • 图  1  SRAM PUF 密钥提取器

    图  2  比特筛选SRAM PUF 密钥提取方案

    图  3  SRAM PUF 筛选电路

    图  4  筛选次数与不同温度下的平均比特变化率关系

    图  5  稳定单元(经过常温筛选)在不同温度下的变化概率

    表  1  不同方法SRAM PUF稳定性对比

    类型研究思路方法PUF 重建成功率
    第1类扩大交叉耦合反相器
    之间的失配
    文献[5]0.992 2
    文献[6]1-1.28E-5
    第2类筛选稳定的SRAM单元
    构成PUF响应
    文献[7]0.061 1
    文献[8]1-2.43E-6
    文献[10]0.996 8
    第3类采用纠错码纠正
    响应错误比特
    文献[13]方法11-5E-5
    文献[13]方法21-3E-5
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    1  译码成功概率评估算法

     (1)初始化PMF,其中p为各次试验成功概率向量。
      n=length(p);
      pmf = zeros(1, n+1);
      pmf(1) = 1;% 0次成功的概率为1
     (2)逐步更新PMF。
      for i = 1:n
      %递归更新:前i-1次成功k-1次且第i次成功或者前i-1次成功k次且第i次失败
      Pmf=[pmf(1)·(1–p(i)),pmf(2:end)·(1–p(i))+pmf(1:end–1)·
      p(i)];
      End
     (3)k次成功的概率为pmf(k+1),Puf 重建成功概率计算过程如下。
      For j=1: x
       For i=1:m
       pmf1=PMF_func(e(((i-1)·x+(j-1))·(2t+1)+1:((i-1)·x+j)·(2t+1)))
       ${p}{\text{(i,j)}} = 1 - \displaystyle\sum\limits_{k = t + 2}^{2t + 2} {{\text{pm}}{{\text{f}}_{\boldsymbol{1}}}} (k)$
       end
      end
     (4)根据解交织规律,重排p, 得到p′。
      p3 = 1;
      for j=1:x
       pmf2 = PMF_func(p'(:,j))
        ${\boldsymbol{\gamma }}{\text{(j) = }}\displaystyle\sum\limits_{k = m/2 + 2}^{m + 1} {{\text{pm}}{{\text{f}}_2}(k)} $
       p3=p3·γ(j)
       end
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    表  5  高温下PUF重建成功概率

    编号 x=128, t=2, m=5 x=128, t=2, m=7 x=128, t=2, m=9
    1 1-6.0390E-8 1-2.9159E-11 1- 6.2172E-15
    2 1-4.3533E-7 1-1.5952E-10 1- 1.7542E-14
    3 1-1.2722E-8 1-1.7840E-10 1- 4.7740E-15
    4 1-3.7780E-8 1-2.8923E-11 1- 1.0769E-14
    5 1-2.2309E-7 1-9.7857E-12 1- 1.2212E-15
    6 1-4.4398E-6 1-7.5267E-10 1- 1.5432E-14
    7 1-7.5811E-8 1-3.5191E-12 1-3.7748E-15
    8 1-1.0748E-7 1-8.4819E-10 1- 1.4299E-12
    9 1-8.8959E-7 1-1.4876E-9 1- 9.7844E-13
    10 1-5.4529E-6 1-3.0186E-10 1- 3.6240E-12
    11 1-5.8480E-8 1-3.0397E-9 1- 7.1021E-13
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    表  3  运算量和密钥重建失败概率对比

    方案内码外码长度失败概率运算量
    1CREP(5,1,2)Cour(896,128,384)4 4801.4876E-95 376次加法、1 024次比较和56次置换
    4 480次加法、896次比较56次置位、896次加法、128次比较
    2CREP(3,1,1)RM(2,7) = CRM(128,29,15)5 3763E-58 764次小数加法、5 124次小数比较和
    3 332次除2运算
    5 376次小数加法、1 792次比较3 332次小数比较、3 332次除2、
    3 388次小数加法。
    3CREP(7,1,3)BCH(1 754,742,105)12 2785E-5480 368次加法和574 560 次乘法
    12 278次加法、1 754次比较468 090次加法、574 560次乘法
    4BCH(2 236,1 024,106)2 236604 836次加法和733 520次乘法
    604 836次加法、733 520次乘法
    5CREP(5,1,2)6406.07E-8640次加法和128次比较
    640次加法、128次比较
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    表  4  3温度下200次上电密钥成功重建次数

    编号重建成功次数
    -45°C25°C85°C
    1200200200
    2200200200
    3200200200
    4200200200
    5200200200
    6200200200
    7200200200
    8200200200
    9200200200
    10200200200
    11200200200
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    表  5  1 664个噪声单元在常温下的熵值

    编号熵值
    1465.02
    2448.95
    3462.32
    4440.70
    5467.76
    6472.85
    7479.55
    8416.86
    9425.08
    10430.57
    11416.96
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    表  6  6 528个PUF单元在常温下的熵值

    编号熵值
    158.89
    260.22
    359.70
    458.77
    559.99
    659.68
    727.76
    843.40
    943.26
    1046.27
    1148.30
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  • [1] 张源, 罗静茹, 张吉良. SDL PUF: 高可靠自适应偏差锁定PUF电路[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(5): 2274–2280. doi: 10.11999/JEIT231313.

    ZHANG Yuan, LUO Jingru, and ZHANG Jiliang. SDL PUF: A high reliability self-adaption deviation locking PUF[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(5): 2274–2280. doi: 10.11999/JEIT231313.
    [2] HOLCOMB D E, BURLESON W P, and FU K. Power-up SRAM state as an identifying fingerprint and source of true random numbers[J]. IEEE Transactions on Computers, 2009, 58(9): 1198–1210. doi: 10.1109/TC.2008.212.
    [3] 陈帅, 蔡敏, 杨志勇, 等. 嵌入式系统中的内生存储器PUF研究综述[J]. 集成电路与嵌入式系统, 2024, 24(9): 7–16. doi: 10.20193/j.ices2097-4191.2024.0005.

    CHEN Shuai, CAI Min, YANG Zhiyong, et al. Review of extracting intrinsic PUF from embedded memory[J]. Integrated Circuits and Embedded Systems, 2024, 24(9): 7–16. doi: 10.20193/j.ices2097-4191.2024.0005.
    [4] RAIKWAL P, GUPTA N, AGARWAL N, et al. Security key generation in SRAM based PUF for cryptographic applications[C]. Proceedings of 2025 Fifth International Conference on Advances in Electrical, Computing, Communication and Sustainable Technologies, Bhilai, India, 2025. doi: 10.1109/ICAECT63952.2025.10958966.
    [5] TIMOTIUS S I, WANG Yilun, and CHEN H S. An SRAM-based PUF with high native-stability using alternative configuration technique[C]. Proceedings of 2025 IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas, USA, 2025. doi: 10.1109/ICCE63647.2025.10929913.
    [6] LIU Kunyang, PU Hongliang, and SHINOHARA H. A 0.5-V 2.07-fJ/b 497-F2 EE/CMOS hybrid SRAM physically unclonable function with < 1E-7 bit error rate achieved through hot carrier injection burn-in[C]. Proceedings of 2020 IEEE Custom Integrated Circuits Conference, Boston, USA, 2020. doi: 10.1109/CICC48029.2020.9075875.
    [7] BATURONE I, PRADA-DELGADO M A, and EIROA S. Improved generation of identifiers, secret keys, and random numbers from SRAMs[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2015, 10(12): 2653–2668. doi: 10.1109/TIFS.2015.2471279.
    [8] 陈泽亮, 孔德珠, 尹爱国, 等. 基于数据残留时间的SRAM-PUF预选算法[J]. 电子学报, 2024, 52(5): 1478–1487. doi: 10.12263/DZXB.20221413.

    CHEN Zeliang, KONG Dezhu, YIN Aiguo, et al. SRAM-PUF preselection algorithm based on data remanence time[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(5): 1478–1487. doi: 10.12263/DZXB.20221413.
    [9] WANG Wendong, SINGH A, GUIN U, et al. Exploiting power supply ramp rate for calibrating cell strength in SRAM PUFs[C]. Proceedings of the 19th Latin-American Test Symposium, Sao Paulo, Brazil, 2018: 1–6. doi: 10.1109/LATW.2018.8349685.
    [10] SARAZA-CANFLANCA P, CARRASCO-LOPEZ H, SANTANA-ANDREO A, et al. Improving the reliability of SRAM-based PUFs under varying operation conditions and aging degradation[J]. Microelectronics Reliability, 2021, 118: 114049. doi: 10.1016/j.microrel.2021.114049.
    [11] SANTANA-ANDREO A, SARAZA-CANFLANCA P, CASTRO-LOPEZ R, et al. Reliability improvement of SRAM PUFs based on a detailed experimental study into the stochastic effects of aging[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications, 2024, 176: 155147. doi: 10.1016/j.aeue.2024.155147.
    [12] HE Ze and LI Shaoqing. A design of key generation unit based on SRAM PUF[C]. Proceedings of the 2nd International Conference on Frontiers of Electronics, Information and Computation Technologies, Wuhan, China, 2022. doi: 10.1109/ICFEICT57213.2022.00032.
    [13] 张亮亮, 张维, 孙瑞一, 等. 可用于SRAM PUF的密钥提取方案[J]. 北京大学学报: 自然科学版, 2017, 53(6): 997–1002. doi: 10.13209/j.0479-8023.2017.059.

    ZHANG Liangliang, ZHANG Wei, SUN Ruiyi, et al. Key extraction schemes for SRAM PUF[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2017, 53(6): 997–1002. doi: 10.13209/j.0479-8023.2017.059.
    [14] 李冰, 涂云晶, 陈帅, 等. 基于SRAM物理不可克隆函数的高效真随机种子发生器设计[J]. 电子与信息学报, 2017, 39(6): 1458–1563. doi: 10.11999/JEIT160835.

    LI Bing, TU Yunjing, CHEN Shuai, et al. Efficient design of truly random seed generator based on SRAM physical unclonable functions[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2017, 39(6): 1458–1463. doi: 10.11999/JEIT160835.
    [15] ARM Limited. Arm artisan 28nm SMIC 28HKCP memory power management application[EB/OL]. http://infocenter.arm.com, 2024. (查阅网上资料,请核对网址与文献是否相符).
    [16] WANG Y H. On the number of successes in independent trials[J]. Statistica Sinica, 1993, 3(2): 295–312.
    [17] 周昱, 于宗光. 基于RS和BCH码的SRAM-PUF密钥提取方法及性能分析[J]. 计算机工程, 2024, 50(7): 187–193. doi: 10.19678/j.issn.1000-3428.0068443.

    ZHOU Yu and YU Zongguang. SRAM-PUF key extraction method and performance analysis based on RS and BCH codes[J]. Computer Engineering, 2024, 50(7): 187–193. doi: 10.19678/j.issn.1000-3428.0068443.
    [18] SANTANA-ANDREO A, SARAZA-CANFLANCA P, CARRASCO-LOPEZ H, et al. A DRV-based bit selection method for SRAM PUF key generation and its impact on ECCs[J]. Integration, 2022, 85: 1–9. doi: 10.1016/J.VLSI.2022.02.008.
    [19] 王新梅, 肖国镇. 纠错码——原理与方法[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2001: 242–290.

    WANG Xinmei and XIAO Guozhen. Town Error Correction Coding - Principles and Methods[M]. Xi'an: Xidian University Press, 2001: 242–290. (查阅网上资料, 未找到对应的英文翻译, 请确认).
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-06-16
  • 修回日期:  2025-09-16
  • 网络出版日期:  2025-09-19

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