Circuit Implementation of Multibit-generating Memristive Physical Unclonable Function

Abstract

최근 IoT 기술의 상용화가 빨라지면서 언제 어디서든 인터넷을 통해 다양한 기기들을 제어할 수 있는 시대가 되었다. 하지만 IoT 환경에서는 디바이스들이 인터넷에 연결되어 정보를 수집, 전송, 활용하는 과정을 거치기 때문에, 이러한 특성상 쉽게 보안 위협을 받는다. 소프트웨어 기반 보안 시스템은 저렴한 가격과 간단한 업데이트 방식과 같은 장점을 통해 이러한 한계를 극복하고자 했지만, 그 구조적 위험성으로 인해 최근에는 하드웨어 보안 시스템이 많은 관심을 받고 있다. 고밀도, 저전력 비 휘발성 메모리인 Non-Volatile Memory (NVM)를 이용하는 하드웨어 보안 시스템이 제안되었지만, 이 방식은 디바이스의 정보를 메모리에 저장해두기 때문에 물리적 공격에 취약하다 [1]. 따라서 정보를 메모리에 저장해두지 않고 필요할 때 생성하고자, 수학적인 메커니즘을 따르는 것이 아닌 랜덤한 메커니즘을 사용하는 PUF(physical unclonable function)의 필요성이 대두되었다. 더욱 랜덤하고 안전한 key를 생성하기 위해 새로운 구조와 소자를 적용한 PUF에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 본 연구에서는 아날로그 멤리스터(memristor) 소자의 특성을 활용하는 새로운 구조의 physical unclonable function(PUF)를 회로적으로 구현하고, 다른 PUF 구조와 비교를 통해 그 성능이 우수함을 평가한다. 기존의 PUF 구조는 주로 1비트를 출력하기 때문에 실제 보안 시스템에서 요구하는 길이의 secure key를 생성하기 위해서는 여러 개의 입력이 하나의 출력을 위해 소모되어야 된다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 멀티 비트를 한번에 생성하는 구조를 제안하고, 회로적으로 구현하여 동작을 검증한다. 또한 실제 출력된 결과를 정량적, 통계적으로 분석 및 평가하였다. ;As Internet of Things (IoT) devices have evolved, physical unclonable functions (PUFs) have become a popular solution for hardware security. In particular, memristor devices are receiving attention as suitable candidates for reliable PUFs because they can be integrated into nano-cross point array circuits with ultra-high efficiency. However, it has been found that typical 1-bit generating PUFs consume too many challenge–response pairs (CRPs) to generate a single response. This issue has to be overcome to construct a strong and reliable PUF with a large number of valid CRPs. We suggest a bank design and quantizing entropy source method for constructing a multibit-generating PUF. In this paper, we propose a new pulsewidth-based memristive PUF (pm-PUF) architecture that incorporates analog memristor devices and a nano-cross point array. We describe the architecture’s circuit implementation and its operating process in detail. We also evaluate the inter and intra performances of the pm-PUF in terms of randomness, diffuseness, uniqueness, and steadiness to show that the proposed pm-PUF will be a promising solution for a high-density hardware security system.