固有値を共有する
物理複製困難関数回路
京都大学 大学院情報学研究科
通信情報システム専攻
教授 佐藤 高史2019年5月16日

PUFとは• Physical Unclonable Function
物理複製困難関数• 入力に対し、ICチップに固有の応答を出力• チップの指紋のようなもの• 物理的ばらつきを利用• 製造の際に避けがたく生じるゆらぎ例) しきい値ばらつき、遅延時間ばらつき
W

ゲート
絶縁膜

ド レイン

L

ソ ース
チャ ネル
幅W
チャ ネル
長L

L
不純物

PUFの例とその性質• SRAM PUF• メモリセルの初期状態を利用• Arbiter PUF• 論理ゲートの遅延時間差を利用• 重要な性質• 複製困難性 = unclonable• 予測困難性• 再現性など

従来PUFの使用手法（例：認証）• 作成したCRPデータとチップのResponseを比較• CRP (c, r) ： Challenge response pairs• 指数的に広いスペース• 鍵が物理的ばらつきとして保存されるため高い安全性
脆弱性
(c,r)
CRPデータ

Alice

認証

Challenge

Response

LSI
PUF

r = fα(c)CRPデータが脆弱性となり得る

Bob従来技術の課題と目的• PUFの認証におけるCRPデータの脆弱性• あらかじめ十分な数のCRPを取得する必要がある
脆弱性(c, r)
CRPデータ

比較

Alice

LSI
PUF
Bob

• データの事前取得や保存を不要とする• PUFのみによる認証を実現
LSI
PUF
Alice

比較

LSI
PUF
Bob

課題解決のアプローチ• 固有値を共有するPUF(CPUF)を作成• PUFは定義上複製不可能であるが、• 製造時に1回だけ複製を作る• 複製されたCPUFは、同じ入力に対し同じ応答• 各CPUFは、通常のPUFと区別がつかない• 複製困難性、予測困難性、再現性などPUFとしての性質を満たす

固有値を共有するPUF• 「等価」な応答を返すPUF••••

LSI 1LSI 2
等価：同じ，反転 など
製造ばらつき複製：製造時のみ製造時：CPUFを複数生成製造後：複製困難，PUFとして使用可能
LSI 1
CPUF

LSI 2
CPUF

• 製造方法1. 複数のLSIを接続して製造
2. 製造ばらつきからCPUFを作成
3. 個々のCPUFをもつLSIに切断

LSI 1
CPUF

LSI 2
CPUF

CPUF同士で認証が可能（認証局やDBとの通信不要）固有値を共有するPUF• 「等価」な応答を返すPUF••••

等価：同じ，反転 など
複製：製造時のみ製造時：CPUFを複数生成
製造後：複製困難，PUFとして使用可能• 製造方法1. 複数のLSIを接続して製造
2. 製造ばらつきからCPUFを作成
3. 個々のCPUFをもつLSIに切断

LSI 1
CPUF

LSI 2
CPUF

CPUF同士で認証が可能（認証局やDBとの通信不要）

想定される用途 (1)• 準備： AliceとBobがCPUFと乱数生成器（RNG）を持つ• RNG：チャレンジを生成• 認証： Aliceの r と Bobの r が等価であるか比較
Challenge

RNG

Alice 認証

LSI
CPUF

LSICPUFr = fα(c)r = fα(c)比較

Response

安全性の高い認証を実現

Bob

想定される用途 (2)• セットでの性能保証・再利用の防止• 同じ製品であっても異なるセットから得た部品を組み合わせることは許さない• 組合せで使う
対象を限定

CPUF

l
Batterycreylcell
BattelBatterycell
BatBteartytecreylcelllBatterycel

データベースとの通信を介さずに真正性を保証

CPUFの作成方法• 極言すると...
• ランダムな値が書いてあるセキュアメモリを作る• ただし、特定の個体間でランダムな値が一致することを保証する• 少部数ずつの乱数表を半導体技術で作ることに似ている• 外部から見えない形で応答を記憶• 今回はRRAMを用いる2つの作り方を例示
する抵抗値変化型メモリ (RRAM)• 第4の受動素子• 通過した電荷を抵抗値として記録可能• 構造：二種類の金属で酸化金属を挟み込む• 物理的には導電性フィラメントの形成として説明される
低抵抗

正方向

逆方向

• 正方向にパルス電圧 → 低抵抗状態• 逆方向にパルス電圧 → 高抵抗状態

高抵抗状態と低抵抗状態をPUFの値として利用

高抵抗CPUFの作成方法 (1)• 外部（or どれか一つのPUF）から値をコピー

CPUF1
PUF
アレイ

Read回路Write回路

Write回路

乱数源
CPUF2
PUF
アレイ

Read回路ダイシング時に書き込みが不可能となる

Shorted-INV CPUF：基本回路• SRAM PUFの値をRRAMに書き込む
SRAM PUF

CPUF1

CPUF2

Shorted-INV CPUF：基本回路• SRAM PUFの値をRRAMに書き込み• SRAM PUF (0, 1)：RRAM高抵抗• SRAM PUF (1, 0)：RRAM低抵抗
CPUF1CPUF2

001

パルス電圧

パルス電圧

SRAM PUF
1

高10

接続されたRRAMがすべて同状態となる

CPUFの作成方法 (2)• 回路内部のエントロピーから応答を生成• 2回路相互の関係で値が決まる

PUF
アレイRead回路

CPUF2
Write回路

Write回路

CPUF1

PUF
アレイRead回路

ダイシング時に書き込みが不可能となるCoupled-INV CPUF：全体構成• CPUF回路• SRAM様の擬似インバータ対をL
分割してバラバラにもたせる• トランジスタおよびRRAMのばらつきにより値が決まる

擬似インバータ
アレイ (L)擬似インバータ
アレイ (R)

Read回路Read回路

CPUF1

CPUF2

R

Coupled-INV CPUF：基本回路• 疑似インバータを用いた疑似SRAM回路• 安定状態：出力が(0, 1)あるいは(1, 0)0100
高抵抗RRAMをさらに高抵抗に

≫低抵抗

0

RRAMに置換

高1
高抵抗

1

パルス電圧

• 低抵抗状態では1，高抵抗状態では0• 高抵抗状態のRRAMにのみ電圧がかかる

1

再現性の向上• SRAM PUF等の再現性が低い課題• ばらつきが正規分布• 提案回路はRRAMを用いてレスポンス生成• 双峰性の抵抗値分布
環境変化によって反転0

反転しない

1

0

1
RRAMの抵抗値

駆動力差

SRAM PUF

提案回路

抵抗値の分布が0と1の境界に集中しない

シミュレーションによる評価• 回路シミュレーション条件• 商用65nmプロセスを使用• Verilog-AベースのRRAMビヘイビアモデル[1]• トランジスタのしきい値電圧ばらつき: 正規分布
• RRAMのギャップ初期値: 正規分布

• アレイ回路（最も大きいものを記載）• SRAM PUF：16x16チップを100個• Shorted-INV CPUF: 16x16チップ 2 cloneを100個• Coupled-INV CPUF: 16x16チップ 2 cloneを100個• 三つの評価指標について評価• CPUF: 等価性• PUF:予測不可能性，再現性[1] P. Y. Chen et. al.

等価性 (equivalence)• CPUFのレスポンスが互いに等価な割合• ekey,c: 全CPUFに同じチャレンジを与えるとき、一つでも不一致のresponseがあると0, 全一致で1• 等価性は、全チャレンジ、全チップ組合せに対するekey,cの平均として定義

SRAM PUF
等価性E

Shorted-INV
1.000

すべてのCPUFで理想値1.0

Coupled-INV
1.000予測不可能性• Randomness (H)/Diffuseness (D)/Uniqueness (U)• チップ 全体/内/間 のばらつき• CTW による圧縮率• レスポンスのエントロピー推定• NIST 800‐22による検定 (256ビットで評価)• 頻度/ブロック単位の頻度/累積和/連/ブロック単位の最長連

H/D/U
CTW
NIST

SRAM PUF
0.99/1.00/0.99
1.016
PASS

Shorted-INV
0.99/1.00/0.99
1.017
PASS

いずれも十分予測不可能

Coupled-INV
0.99/1.00/0.99
1.016
PASS

再現性
• 測定温度，電源電圧変化による応答の一致率• 測定温度変化（基準25℃）：-40℃から100℃• 電源電圧変化（基準1.2V）：-20%から+20%
SRAM PUF Shorted-INV CPUF
0.318
1.000
最低値

Shorted-INV CPUF

Coupled-INV CPUF
1.000

Coupled-INV CPUF

Voutの分布がVref近傍に集中しないため変動しない

企業への期待• セキュリティ機能を有する不揮発メモリ・PUFの設計に関する共同研究を希望• 実デバイスによる試作• アプリケーション評価• 模造品・互換品防止等のセキュリティ機能を必要とする企業には、本技術の導入が有効と考えられる

本技術に関する知的財産権• 発明の名称：PUF回路群，PUF回路群の製造方法，PUF回路の使用方法，及びネットワークシステム• 出願番号 ：特願2018-154477
• 出願人

：京都大学

• 発明者

：佐藤高史、田中悠貴、辺松、廣本正之

お問い合わせ先
国立大学法人京都大学内
関西ティー・エル・オー株式会社
京大事業部門 技術移転チーム
井下 陽平（いのした ようへい）
ＴＥＬ

075-753-9150

ＦＡＸ

075-753-9169

e-mailinoshita@kansai-tlo.co.jp

thank you