物理不可克隆函数-多位并行异或运算一体化设计技术

来源：电子与信息学报杂志2024年第11期北京时间：

作者：李刚, 周俊杰, 汪鹏君, 张茂林, 郭宇锋

单位：1.南京邮电大学集成电路科学与工程学院 南京 2100032.温州大学电气与电子工程学院 温州 325035

摘要：物理不可克隆函数(PUF)和异或(XOR)运算在信息安全领域均发挥着重要作用。为突破PUF与逻辑运算之间的功能壁垒，通过对PUF工作机理和差分串联电压开关逻辑(DCVSL)的研究，该文提出一种基于DCVSL异或门级联单元随机工艺偏差的PUF和多位并行异或运算电路一体化设计方案。通过在DCVSL异或门差分输出端增加预充电管并在对地端设置管控门，可实现PUF特征信息提取、异或/同或(XOR/XNOR)运算和功率控制3种工作模式自由切换。此外，针对PUF响应稳定性问题，提出极端工作点和黄金工作点共同参与标记的不稳定位混合筛选技术。基于TSMC 65 nm工艺，对输入位宽为10位的电路进行全定制版图设计，面积为38.76 μm2。实验结果表明，PUF模式下，可产生1 024位输出响应，混合筛选后可获得超过512位稳定的密钥，且具有良好的随机性和唯一性；运算模式下，可同时实现10位并行异或和同或运算，功耗和延时分别为2.67 μW和593.52 ps。功控模式下，待机功耗仅70.5 nW。所提方法为突破PUF“功能墙”提供了一种新的设计思路。

关键词：物理不可克隆函数, 逻辑运算, 一体化设计, 稳定性筛选, 硬件安全

基金资助：国家自然科学基金(62374117, 62234008)，浙江省自然科学基金(LY22F040004)，中国博士后科学基金(2023M731776)，温州市基础性科研项目(G20240015)