[發明專利]基于鎖存型電壓靈敏放大器PUF的AES密鑰產生結構及方法

在審

• 申請號: 201410776039.2
• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN104579631A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 趙毅強;何家驥;束慶冉;楊松
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06;H04L9/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

1.一種基于鎖存型電壓靈敏放大器PUF的AES密鑰產生結構，其特征在于，包括核心單元和外圍電路，所述核心單元為SAPUF結構，所述SAPUF結構是一種利用StrongARM型鎖存靈敏放大器作為PUF的結構；所述外圍電路包括一個SRAM存儲器；

所述StrongARM型鎖存靈敏放大器為差分結構，包括七個場效應管:N1管、N2管、N3管、N4管、N5管、P1管和P2管，其中，N3管和N4管構成MOS對管，所述N3管和N4管的柵極接位線；N5管為使能管，N5管的柵極接使能控制信號EN，該使能控制信號EN控制放大器的開啟與關斷；N1管、N2管、P1管和P2管構成正反饋的鎖存結構，該鎖存結構相對于所述的MOS對管為負載；N1管和P1管的柵極為放大器的輸出端OUT，所述P1管和P2管的源極為放大器的電源端。

2.一種基于鎖存型電壓靈敏放大器PUF的AES密鑰產生方法，其特征在于，采用如權利要求1所述基于鎖存型電壓靈敏放大器PUF的AES密鑰產生結構，并包括以下步驟：

步驟一、利用StrongARM型鎖存靈敏放大器在位線零壓差下的輸出特性作為PUF結構：

當StrongARM型鎖存靈敏放大器兩輸入端BL和BLA電壓差為零時，其中，作為MOS對管的N3管和N4管失配，使StrongARM型鎖存靈敏放大器的輸出電壓不為零，將該輸出端電壓折算到StrongARM型鎖存靈敏放大器的輸入端即為輸入失調電壓V_OFFSET：

VOFFSET=(Vth1-Vth2)+I(1K1-1K2)+121KΔR0R0]]>

K1=12μcW1L1]]>

K2=12μcW2L2]]>

K=12(K1+K2)]]>

上式中，V_th1為N3管的閾值電壓，單位為V，V_th2為N4管的閾值電壓，單位為V，I為流過N5管的電流，單位為A，R₀為由從N1和N2管源極看進去的等效電阻，單位為Ω，μ為器件表面遷移率，單位為cm²/V·s，c為器件單位面積柵氧化物電容，單位為F/cm²，W₁/L₁是N3管的寬長比，W₂/L₂是N4管的寬長比；

由上式得出，失調電壓V_OFFSET由MOS對管的開啟電壓之差及K因子和負載電阻的失配決定，并且與偏置電流I的方根有關，利用該StrongARM型鎖存靈敏放大器在位線零壓差下的輸出特性作為一種PUF結構從而形成SAPUF結構；

步驟二、對于步驟一確定的SAPUF結構進行篩選，：

在使用前首先對SAPUF施加一定的+ΔV以及-ΔV，通過判斷SAPUF結構的輸出是否穩定，來選出穩定的SAPUF結構，形成然后再使用，單個SAPUF篩選流程如下：

步驟2-1：給SAPUF結構施加+ΔV電壓，記錄此刻SAPUF結構的輸出為OUT1；

步驟2-2：給SAPUF結構施加-ΔV電壓，記錄此刻SAPUF結構的輸出為OUT2；

步驟2-3：將OUT1和OUT2進行比對，如果數值一樣，則該SAPUF結構在偏壓ΔV是穩定的，可以使用；

步驟2-4：重復上述步驟1～3，直至選出足夠多的SAPUF結構，用來產生固定位數的密鑰；

步驟2-5：記錄選定的SAPUF結構，需要密鑰時，給選定的SAPUF施加零偏壓的高電平，讀取SAPUF的輸出即可；

步驟三、使用步驟二篩選出的SAPUF結構構建AES密鑰產生結構

對步驟二篩選出來的SAPUF結構上電之后，首先控制器控制切換開關對SAPUF施加+ΔV電壓，得到N*N的碼值，將該碼值通過控制器存儲到SRAM存儲器當中，然后通過控制器控制切換開關對SAPUF施加-ΔV電壓，與此同時，將預存在SRAM存儲器當中的碼值讀取出來，然后與新得到的碼值進行同或比較操作，將比較結果寫入SRAM存儲器當中，若同或比較結果為1，則選定的SAPUF結構穩定，若同或比較結果為0，則選定的SAPUF結構不穩定，以此作為可靠PUF的地址標記存儲下來；

對AES密鑰產生結構施加零偏壓，即ΔV為0，然后，控制器參照預先存儲在SRAM當中的可靠PUF的地址，從SAPUF陣列中讀取相應數目的碼值，作為密鑰進行輸出，并且根據密鑰長度，確定取出相應長度的密鑰。