一文读懂PUF技术：硬件安全的物理屏障

一文读懂PUF技术：硬件安全的物理屏障

自2002年MIT的R.S.Pappu博士提出PUF（Physical Unclonable Function，物理不可克隆函数）的概念以来，这项技术已经在硬件安全领域得到了广泛应用。PUF技术利用芯片制造过程中的随机物理变化，生成独一无二的标识信息，为芯片提供了内在的安全性。目前，PUF已经发展出多种不同的类型，包括RO PUF（振荡器型）、Arbiter PUF(仲裁型)、Bi-stable PUF（双稳态型）、Sense Amplifier PUF、Latch PUF（锁存型）、Butterfly PUF(蝴蝶型)、SRAM PUF等。

以RO（振荡器型）PUF为例，可以更好地理解PUF的基本原理。RO PUF是PUF中常见的类型，其基本单元是环形振荡器（Ring-Oscillator）。RO PUF的电路基本构成单元如下图所示：

RO PUF在芯片中设计了许多环形振荡器，每个环形振荡器的结构完全相同，理论上应该振荡在同一个频率。然而，在实际制造过程中，由于工艺偏差，每个振荡器的实际频率都会存在细微差异。

当挑战（Challenge）信号输入给RO PUF时，N个环形振荡器会产生不同的频率f1、f2、…fn。两个并行的多路复用器的选择取决于输入的挑战信号。这两个多路复用器会选定两个不同的频率，它们分别作为n位计数器的时钟输入。然后，两个计数器对选定的两个频率开始计数。如果f1>f2，则响应为1，否则输出响应为0，从而产生随机信号序列。

PUF的总体思路是在芯片里布置许多一模一样的电路单元。尽管电路单元的设计完全相同，但在芯片制造过程中，每个电路单元的电性能实际上都会存在随机的偏差。这种偏差被用来生成随机信号序列，从而实现硬件安全。

PUF技术在硬件安全领域具有广泛的应用前景，特别是在物联网、云计算等场景中，可以为设备提供独特的身份标识，防止克隆和伪造，保障数据安全。