基于自检测修复的比特配置物理不可克隆函数电路设计

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：徐梦凡, 张跃军, 刘天翔, 潘钰

单位：1.宁波大学信息科学与工程学院 宁波 3152112.杭州旗捷科技股份有限公司 杭州 310052

摘要：物理不可克隆函数(PUF)作为硬件安全原语，为资源受限的物联网设备提供低成本的密钥生成与设备身份认证。然而，PUF电路的可靠性问题已经成为大规模部署的瓶颈。为此，该文提出一种基于自检测修复的比特配置高可靠PUF电路方案。该方案首先研究电桥失衡效应和亚阈值电流特性，利用亚阈值指数级电流特性放大随机工艺偏差，提升输出熵源随机性。其次，构建可配置位单元拓扑结构，结合比特配置策略，在不增加额外硬件开销的情况下，可灵活切换电桥PUF与分压PUF模式。最后，提出一种自检测与修复机制以提升PUF电路的可靠性，并结合掩蔽操作进一步降低误码率(BER)。在TSMC 28 nm工艺下实现64×64位PUF电路设计，全定制版图面积为3283.3 μm2。实验结果表明，电桥PUF和分压PUF唯一性和自相关性分别为50.03%/50.08%和0.027 3/0.027 7，且通过NIST800-22随机性测试。此外，在0 °C～80 °C的温度范围和0.81～0.99 V的电压范围内，对29%的不稳定位进行修复或掩蔽处理，最终误码率为1.62E–9。

关键词：硬件安全, 物理不可克隆函数, 可靠性, 自检测修复, 比特配置

基金资助：浙江省“尖兵领雁+X”科技计划(2025C01063)，国家自然科学基金(62474100, 62174121, 62134002)，宁波市科创甬江2035重点研发计划(2024Z139)，慈溪市重点研发专项(CZ2025006)