[發(fā)明專利]一種實(shí)現(xiàn)物理不可克隆功能的電路結(jié)構(gòu)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711186623.2
• 申請(qǐng)日: 2017-11-24
• 公開（公告）號(hào): CN107689872A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉戩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H04L9/32
• 分類號(hào): H04L9/32
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及物理不可克隆技術(shù)和信息安全技術(shù)，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)物理不可克隆功能的電路結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著高安全的智能卡、射頻識(shí)別(RFID)芯片的廣泛應(yīng)用，身份識(shí)別等方面的安全要求越來(lái)越高。對(duì)芯片建立基于物理實(shí)體的物理構(gòu)造的唯一標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)芯片的身份識(shí)別。物理不可克隆功能(physically unclonable function，PUF)是基于芯片物理實(shí)現(xiàn)偏差，來(lái)形成芯片的唯一可信識(shí)別的一種方法。利用芯片物理系統(tǒng)中只與工藝偏差相關(guān)的隨機(jī)元素，固化形成某顆芯片的某個(gè)獨(dú)特的物理特性，作為該芯片的獨(dú)特的身份信息。

PUF具有不可預(yù)知性，不可克隆，高隨機(jī)性，可重復(fù)的特性，因此可以應(yīng)用在密鑰生成等安全設(shè)計(jì)之中。

PUF在國(guó)內(nèi)外開展研究近十年的時(shí)間，在集成電路行業(yè)包括利用器件特性生成的PUF，如基于涂層電容偏差、閾值電壓偏差、電阻偏差等；模擬電路特性生成的PUF，如基于offset 電壓偏差、RC偏差等；數(shù)字電路特性，如SRAM PUF、RO PUF、latch PUF、DFF PUF、buskeeper PUF等。這些PUF的主要問(wèn)題是溫度、電壓特性差、老化特性差，表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果是重復(fù)性不好。為了解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)界通過(guò)糾錯(cuò)算法(如ECC算法等)將重復(fù)性不好的bit糾正或者去除。但除了糾錯(cuò)算法會(huì)占用芯片資源，而且增加了設(shè)計(jì)難度。另外PUF設(shè)計(jì)中為了保證對(duì)稱性、或者節(jié)省芯片面積，仍使用了總線結(jié)構(gòu)，很容易通過(guò)物理探針探測(cè)的方式直接獲取 PUF輸出數(shù)據(jù)，影響芯片安全性。

本專利中，可以將PUF一部分結(jié)構(gòu)放入芯片劃片線中，不占用芯片面積；另一部分電路隨機(jī)分散于芯片任何位置，使PUF具有隨機(jī)性，但不會(huì)增加芯片面積，安全可靠，與數(shù)字設(shè)計(jì)流程兼容。

本專利中，完全解決了PUF溫度特性、電壓特性、老化特性等問(wèn)題。同時(shí)具有僅與芯片加工偏差相關(guān)的隨機(jī)性，每顆芯片可以輸出的PUF數(shù)字bit為”0”的概率和為”1”的概率隨機(jī)，滿足應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容

本專利，提供了一種電路結(jié)構(gòu)，包括用于實(shí)現(xiàn)物理不可克隆功能的fuse結(jié)構(gòu)(110)和信號(hào)識(shí)別單元(120),fuse結(jié)構(gòu)(110)中的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由信號(hào)識(shí)別單元(120)進(jìn)行電平變化識(shí)別從而獲得響應(yīng)輸出信號(hào)。利用芯片放置在劃片線中的一組或多組fuse在劃片過(guò)程中被劃片刀隨機(jī)劃斷的特性，實(shí)現(xiàn)一種物理不可克隆功能的電路結(jié)構(gòu)。

用于實(shí)現(xiàn)物理不可克隆功能的fuse結(jié)構(gòu)(110)為半導(dǎo)體導(dǎo)電層從芯片有效圖形中繞到芯片劃片線區(qū)域，并返回到芯片有效圖形中的j組連線結(jié)構(gòu)，j為大于0自然數(shù)；所述每組 fuse結(jié)構(gòu)包含i根距離芯片有效圖形不同距離的fuse線，i為大于0的自然數(shù)；fuse線的總根數(shù)定義為N，N＝i*j；根據(jù)芯片劃片過(guò)程中，劃片刀在劃片線中通過(guò)的位置的不確定性，使得處在劃片線中不同位置的多組fuse結(jié)構(gòu)中的多根fuse線，概率性地被劃斷。

所述fuse結(jié)構(gòu)的fuse線寬、間距及比例不受實(shí)際應(yīng)用限制。

所述fuse結(jié)構(gòu)的fuse導(dǎo)電層，包含但不限于金屬、多晶硅、N阱等材質(zhì)。

所述fuse結(jié)構(gòu)的fuse導(dǎo)電層上方，包含但不限于覆蓋包括金屬、鈍化層等材料。

如圖1所示實(shí)施例，在芯片有效圖形(2)外環(huán)繞一圈seal ring(密封圈，3)，兩顆芯片的sealring之間的條形空間就是劃片線(1)，條形空間的中心線為劃片線中心線(5)。fuse (4)是放在劃片線位置上的芯片有效信號(hào)線，在劃片之后，fuse被切斷，退出fuse信號(hào)的工作狀態(tài)。

劃片刀沿著劃片線中心線切割wafer(圓片)，由于劃片過(guò)程中存在工程偏差，使劃片刀通過(guò)劃片線的位置不確定，從而使得放置在劃片線中的不同位置的fuse有的斷開、有的連接，則斷開和連接的fuse中傳輸?shù)男盘?hào)狀態(tài)也不同。劃片后芯片fuse中傳輸?shù)牟煌瑺顟B(tài)的信號(hào)可以被信號(hào)識(shí)別單元識(shí)別，形成”0”和”1”的概率隨機(jī)分布。一根fuse是PUF fuse結(jié)構(gòu)的最小單元，可以對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供了fuse結(jié)構(gòu)的不同的圖形(分布、尺寸、距離等)，用以實(shí)現(xiàn)”0”和”1”的概率隨機(jī)分布。

本發(fā)明提供的信號(hào)識(shí)別單元，包括選通電路和讀出電路。根據(jù)劃片后fuse結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和激勵(lì)信號(hào)，可以輸出響應(yīng)信號(hào)，用以將不同狀態(tài)的fuse中的信號(hào)識(shí)別為數(shù)字邏輯信號(hào)，作為物理不可克隆功能的輸出。

所述選通電路控制某根fuse的傳輸信號(hào)是否由讀出電路讀出作為響應(yīng)信號(hào)；