一种阈值可调的ROPUF装置和输出序列方法与流程

本发明涉及信息安全，尤其涉及一种阈值可调的ro puf装置和输出序列方法。

背景技术：

1、物理不可克隆函数(physically unclonable function,puf)由于其天然具备的物理防克隆、唯一性、随机性等特性，被称为“物理指纹”，自其产生便被认为是适用于信息安全的新型基础技术。在puf的开发和应用过程中，重点关注唯一性和稳定性两个设计指标。唯一性是指不同芯片在相同激励条件下所产生的各响应之间的差异性，一般芯片输出响应以二进制序列来体现，序列差异越接近50％，唯一性越好。稳定性是指同一芯片在相同激励条件下所产生的多次响应之间的差异性，一般芯片输出响应以二进制序列来体现，序列差异越接近0％，稳定性越好。但是，基于现有通用集成电路工艺设计puf难度较大，其中一个重要的原因在于，通用集成电路工艺追求制造的大量芯片具有较好的统一性，而puf则追求的是每片芯片之间的差异性，即唯一性，此外，同时还要求同一片芯片产生的输出序列具有稳定性。

2、环形振荡器(ring oscillator，ro)puf是研究较多的一种puf技术实现方式。典型的ro puf设计架构，由n个相同设计的ro阵列、计数器和比较器构成。从理论上说，相同设计的ro，输出的振荡频率应该是相同的，但是实际上由于制造工艺的误差，不同ro的频率是不同的，基于此，ro阵列根据一定策略，从ro阵列中选取两个ro，用计数器记录它们的频率，通过比较这两个频率的大小，得到puf输出单比特响应。通过选取多对ro，得到多比特puf输出序列。

3、ro puf输出序列的唯一性和稳定性与其内部ro阵列的振荡频率、排布方式、比较策略等因素相关，但最重要的是与ro puf内部被比较环形振荡器之间的输出频率差的大小有关。选取输出频率差大的环形振荡器进行比较，可以提高ro puf输出序列的稳定性；选取输出频率差小的环形振荡器进行比较，可以提高ro puf输出序列的唯一性；因此，在ro puf设计的过程中，其内部被比较环形振荡器之间的输出频率差需折中考虑。然而集成电路芯片设计、制造、封装、测试、应用是一个较长的生成流程，硅puf由于其自身对差异的敏感性，在任何一个生产环节产生的偏差，都可能导致puf输出序列特性的改变。

4、因此，现有的ro puf由于物理特性易受芯片开发过程中各种因素影响，导致ropuf的唯一性和稳定性两个关键设计指标难以折中实现的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种阈值可调的ro puf装置和输出序列方法，用以解决现有ro puf的唯一性和稳定性两个关键设计指标难以折中实现的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种阈值可调的ro puf装置，包括：阈值调节模块、至少两个环形振荡器和至少一个计数比较模块；其中，每两个环形振荡器为一组，每一组对应一个计数比较模块；

3、每组中的两个所述环形振荡器，分别用于根据接收的激励信号产生时钟振荡频率；

4、所述阈值调节模块，用于设置每组中两个所述环形振荡器产生的时钟振荡频率差的阈值档位；其中，所述阈值档位可调；

5、所述计数比较模块，用于接收所述阈值档位和相应组中两个所述环形振荡器产生的时钟振荡频率，根据所述阈值档位得到相应频率差阈值，并统计相应组中两个所述环形振荡器产生的时钟振荡频率差，通过该时钟振荡频率差与所述频率差阈值的比较，获得一个比特输出；将所有组对应的比特输出作为ro puf的输出响应数据。

6、进一步地，两个所述环形振荡器产生的时钟振荡频率差为两个时钟振荡频率上升沿或下降沿个数的差值。

7、进一步地，所述计数比较模块包括第一检测模块、第二检测模块、计数模块、累加更新模块和调节比较模块；

8、所述第一检测模块和第二检测模块，分别用于根据接收的时钟振荡频率的上升沿或下降沿产生第一脉冲和第二脉冲，并输出至所述计数模块；

9、所述调节模块，用于根据接收的所述阈值档位得到相应的频率差阈值，并将所述频率差阈值输出至所述计数模块；其中，所述频率差阈值与所述阈值档位一一对应；

10、所述计数模块，用于根据接收的所述第一脉冲和第二脉冲进行计数得到计数值，将计数值与接收的所述频率差阈值进行比较，获得比特输出。

11、进一步地，所述第一检测模块和第二检测模块产生的所述第一脉冲和第二脉冲的宽度为一个时钟周期。

12、进一步地，通过下述步骤在所述计数模块中获得比特输出：

13、当接收到所述第一检测模块产生的第一脉冲，计数值加1；当接收到所述第二检测模块产生的第二脉冲，计数值减1；

14、将每次更新后的计数值与所述频率差阈值进行比较，若计数值大于等于所述频率差阈值，则输出1，若计数值小于等于负的所述频率差阈值，则输出0。

15、进一步地，所述计数模块，还设置有比较时间；若所述计数模块在所述比较时间内未输出0或1，则不进行比特输出。

16、进一步地，各环形振荡器与供电电源之间连接有隔离模块，所述隔离模块用于隔离电源纹波。

17、进一步地，所述隔离模块包括运算放大器、mos管、电阻r1和r2；

18、所述运算放大器的反相输入端接收基准电压；同相输入端连接电阻r1和电阻r2的一端；输出端连接mos管的栅极；

19、所述mos管的源极连接供电电源；漏级连接电阻r1的另一端，并作为隔离模块的输出端输出电压；

20、电阻r2的另一端接地。

21、进一步地，根据ro puf装置的输出响应数据，获取ro puf的稳定性、唯一性和启动时间，并通过以下判断进行频率差阈值调节：

22、若稳定性小于技术指标中的稳定性指标，则通过调节阈值档位增大频率差阈值；

23、若唯一性小于技术指标中的唯一性指标，则通过调节阈值档位减小频率差阈值；

24、若启动时间大于技术指标中启动时间指标，则通过调节阈值档位减小频率差阈值。

25、另一方面，本发明实施例提供了一种ro puf的输出序列方法，采用上述ro puf装置实现；所述方法包括以下步骤：

26、设定所述ro puf的工作条件和频率差阈值；

27、向所述ro puf输入激励信号；

28、读取所述ro puf输出响应数据；

29、对所述输出响应数据进行纠错处理，生成输出序列。

30、与现有技术相比，本发明可实现如下有益效果：

31、本发明提供一种阈值可调的ro puf装置和输出序列方法，通过设计可以进行调节的频率差阈值，使得ro puf内部被比较环形振荡器的频率差可以灵活调整，可以规避集成电路开发流程中，各个环节引入的非理想因素影响；还可以根据实际应用环境或应用需求，灵活调整ro puf的唯一性和稳定性两项关键设计指标，满足实际信息安全应用需要。

32、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。