一种基于rram的高效可重构环形振荡器puf电路
阅读说明：本技术 一种基于rram的高效可重构环形振荡器puf电路 (Efficient reconfigurable ring oscillator PUF circuit based on RRAM ) 是由 崔益军 黎江 刘伟强 王成华 于 2021-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路,包括墒源电路和响应产生电路；第一激励作为地址输入给行解码器,以选择至少一个行作为环形振荡器的馈电输入,同时使能相应的WL线；第二激励作为地址输入给列选择器和写驱动电路,选择前述每个导通行中任意数量列的RRAM参与到熵源的提取中去；响应产生电路用于放大RRAM Crossbar阵列输出的随机熵源,并最终表现为环形振荡器的振荡频率的变化,再通过比较同一个环形振荡器在不同周期的振荡频率或者不同环形振荡器在同一个周期的振荡频率以产生唯一的响应值。本发明拥有良好的均匀性、唯一性和可靠性,可配置性强,大大缩小了电路面积。(The invention discloses a high-efficiency reconfigurable ring oscillator PUF circuit based on RRAM, which comprises a moisture source circuit and a response generation circuit; a first stimulus is applied as an address input to the row decoder to select at least one row as a feed input to the ring oscillator while enabling the corresponding WL line; inputting the second excitation as an address to a column selector and a write driving circuit, and selecting any number of columns of RRAMs in each conducting row to participate in the extraction of the entropy source; the response generation circuit is used for amplifying a random entropy source output by the RRAM Crossbar array, and finally expressing the change of the oscillation frequency of the ring oscillator, and generating a unique response value by comparing the oscillation frequency of the same ring oscillator in different periods or the oscillation frequency of different ring oscillators in the same period. The invention has good uniformity, uniqueness and reliability, strong configurability and greatly reduced circuit area.)
技术领域
本发明涉及硬件安全技术领域，具体而言涉及一种基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路及其工作方法。
背景技术
物联网的快速发展，导致硬件安全问题得到了更多的关注。可穿戴设备、家用电器、各种传感器等物联网终端设备的无处不在，给与了敌手对于终端节点更多的攻击机会。传统的软件加密方式，需要将密钥存储在非易失性存储器中，并且拥有较为复杂的加密算法，容易受到物理攻击，如侧信道攻击等，可以通过加密算法实现过程中的能量消耗、运行时间、电磁辐射等信息来破解密码。此外，由于物联网设备一般工作在资源受限的场景中，传统的软件加密算法不适应于面积和功耗受限的物联网节点。因此，物理不可克隆函数（PUF）作为一种低功耗、轻量级的硬件安全加密原语得到了研究者的青睐。PUF可以提取集成电路芯片（IC）在制造过程中由于温度、电压和工艺等引入的随机误差作为密钥，可以用作设备认证和加密密钥的生成。在系统上电后，当给PUF输入激励时（Challenge），PUF立即提取芯片中的固有物理熵产生唯一的响应值（Response），对不同的芯片相同的PUF结构输入相同的激励，其响应值是不同的，因此这些激励响应对（CRPs）可以用作硬件电路设备的安全认证。
PUF根据CRPs数量与PUF基本单元之间的函数关系，可以分为强PUF和弱PUF。强PUF的CRPs数量随着PUF基本单元数的增加而呈指数增长，而弱PUF的CRPs数量是基本单元数的线性或者多项式函数。经典的强PUF结构包括了可重构环形振荡器PUF（CRO PUF）和仲裁器PUF（APUF）。可重构环形振荡器PUF通过奇数个反相器串联构成环形振荡器（RO），由于反相器内部固定的工艺误差，其不同的RO产生的振荡频率是不同的，通过选择器选择不同的RO进行输出，最后通过比较器比较两路采集信号的频率，从而产生1 bit的不可预测的响应值。无论是强PUF还是弱PUF，一旦对手能够高精度地预测其CRPs，那么它们都不再安全。虽然PUF可以一定程度上抵御物理攻击，但基于逻辑回归（LR）和协方差矩阵自适应进化策略（CMA-ES）等强大的机器学习算法的建模攻击，可以在数学上较高精度地对强PUF进行建模，一定程度上预测出CRPs。而弱PUF由于CRP空间有限，不讨论其建模攻击。传统的CRO PUF由于结构简单，容易被建模，机器学习攻击对其响应的预测率可以达到90%以上。
CMOS技术由于工艺尺寸缩小趋势的限制，导致基于CMOS的PUF结构面临面积和功耗的瓶颈。RRAM由于其低功耗、高密度并且可以与 CMOS技术相兼容等优势，作为一种新的熵源被广泛用来作为新的PUF设计原语。RRAM拥有高阻态（HRS）和低阻态（LRS）两种阻值状态，并通过施加合适的正向电压和反向电压，其可以在这两种阻态之间进行转变，由于RRAM设备间和周期间的工艺差异，可以被用来作为PUF新的设计原语。因此，高安全性的基于RRAM的可重构PUF设计亟需发现，利用高可重构性降低电路面积，用于物联网资源受限的应用场景中。
专利号为CN109495272A的发明中提出了一种基于忆阻器的强PUF电路，其利用2T2R作为基本单元，通过比较两列通路的电流产生唯一的响应值，拥有面积利用率高，可配置和重复利用的特征，具有优异的随机性和抗建模攻击能力。但是该强PUF电路需要同时采用非挥发存储阵列和2T2R基本单元，仍然需要占用很大的面积；其电流比较方式对于读取电路的精度要求较高；同时，其对于模型的抗攻击能力，只是通过较强的随机性实现，事实上并不能完全规避机器学习攻击。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路，拥有良好的均匀性、唯一性和可靠性，可配置性强，大大缩小了电路面积；此外，基于RRAM的周期性变化，本发明提出了RCRO PUF设计的一种重置机制，在使用一定数量的激励响应对（CRP）后，PUF可以重置为一个新的PUF实例，提高了RRAM的器件利用率，并增强了PUF对于建模攻击的安全性，适用于设备所有权转移时，需要更新认证信息的应用场景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路，所述PUF电路包括墒源电路和响应产生电路；
所述响应产生电路至少包括一个环形振荡器；所述墒源电路包括列选择器和写驱动电路、RRAM Crossbar阵列和行解码器；RRAM Crossbar阵列包括三种电路控制线，分别为行线Row、列线Col以及使能信号线WL；使能信号线WL用于使能NMOS管以控制相应行的1T1R单元是否导通；行线和列线用于选择不同的行和相应的RRAM通路以实现PUF的可配置性；
在响应产生阶段，第一激励作为地址输入给行解码器，以选择至少一个行作为环形振荡器的馈电输入，同时使能相应的WL线；再将第二激励作为地址输入给列选择器和写驱动电路，选择前述每个导通行中任意数量列的RRAM参与到熵源的提取中去；其中，每行中的RRAM都是并列状态，最终的电阻为所有选择的RRAM的并列值；
列选择器和写驱动电路施加供电电压给RRAM Crossbar阵列中相应行的RRAM，再经过行解码器与环形振荡器电路PMOS的漏极相连，以将生成的随机墒源施加在环形振荡器的供电端；
所述响应产生电路用于放大RRAM Crossbar阵列输出的随机熵源，并最终表现为环形振荡器的振荡频率的变化，再通过比较同一个环形振荡器在不同周期的振荡频率或者不同环形振荡器在同一个周期的振荡频率以产生唯一的响应值。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述响应产生电路包括N个环形振荡器、N个计数器和1个比较器；
所述N个环形振荡器的供电端一一对应地与N个行解码器相连，输出端则与相应的计数器的输入端相连，计数器的输出端连接至比较器；
所述N为大于等于2的正整数。
进一步地，所述响应产生电路包括M个环形振荡器和M个比较电路；
每个比较电路均包括计数器、寄存器和比较器；所述M个环形振荡器的供电端一一对应地与M个行解码器相连，输出端则与相应比较电路的计数器的输入端相连；所述计数器的输出端分为两路，其中一路直接连接至比较器，另一路通过寄存器连接至比较器；
所述M为大于等于1的正整数。
进一步地，所述环形振荡器由8级CMOS反向器和1级与非门组成；
所有CMOS反向器中的PMOS都与RRAM Crossbar阵列相连，通过与非门的Enable使能信号，控制环形振荡器电路是否产生振荡；
所述与非门的一个输入端和输出端与各反向器首尾相连；与非门的另一个输入端作为控制信号，在需要进行认证时，使能环形振荡器振荡，在不需要工作时，配置与非门输出为稳定信号，使环形振荡器模块处于稳态，不再进行振荡。
本发明还提及一种基于前述基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：
步骤一、Reset阶段：在PUF电路部署工作之前，对其进行Reset操作以将其设置为一种PUF实例；包括：
设RRAM Crossbar阵列大小为B×B；打开所有的WL线，驱动所有列线和行线，并对所有的列线输入超过RRAM反向阈值的脉冲电压，将RRAM重置为HRS；
步骤二、激励配置阶段：
输入A+B位激励，将A位激励等分为x个信号选择并使能所有WL线，选取对应行的行通路，同时将该A位激励输入给行解码器，接通x行的行线，未选择的行线被悬空；再采用另外的B位激励使能相应的列线，激励为“1”则给该位的列线供电；激励为“0”则悬空该位的列线；
步骤三、响应产生阶段：
输入激励后，在选通的行中，打开的列线对应的RRAM将参与到RO模块的馈电中去，并且该行中的RRAM都是并列状态，最终的电阻为所有选择的RRAM的并列值；继而使输入到环形振荡器中的电压因RRAM阻值的器件间差异而发生变化，最终输出为环形振荡器的振荡频率的不同；通过比较器比较同一个环形振荡器在不同周期的振荡频率或者不同环形振荡器在同一个周期的振荡频率以产生唯一的1 bit响应值。
进一步地，所述工作方法还包括以下步骤：
步骤四、PUF刷新阶段：
当PUF电路产生的CRPs的数量超过了机器学习成功建模的阈值时，对PUF电路进行刷新，将其重置为一个新的PUF实例，让其模型无效，不能够成功预测响应的产生；刷新操作包括：
打开所有的WL线，驱动所有的列线和行线，并对所有的列线输入超过RRAM正向阈值的脉冲电压，将RRAM都设置为LRS，之后重新执行步骤一的Reset阶段，使所有RRAM的HRS电阻值都因RRAM周期间的变化而发生变化。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用RRAM Crossbar阵列作为环形振荡器的电压控制模块，由于RRAM不同器件间和不同周期间的阻值差异，环形振荡器的供电电压产生变化，从而控制振荡频率，高效地产生PUF响应。
（2）本发明通过配置可以选择两个不同行中任意数量的RRAM作为熵源，拥有良好的均匀性、唯一性和可靠性，并且相比于最新的基于RRAM延时单元的PUF设计，该PUF可配置性强，大大缩小了电路面积。
（3）本发明提出一种比较优化设计，不再在一个周期内比较两路环形振荡器的输出，而是在两个周期中，比较同一路信号的振荡频率，降低在比较时两个不同环形振荡器中，由于CMOS管带来的工艺误差和噪声抖动，导致的上下路振荡频率的偏移。
（4）此外，基于RRAM的周期性变化，本发明提出了RCRO PUF设计的一种重置机制，在使用一定数量的激励响应对（CRP）后，PUF可以重置为一个新的PUF实例，提高了RRAM的器件利用率，并增强了PUF对于建模攻击的安全性，适用于设备所有权转移时，需要更新认证信息的应用场景。
附图说明
图1是本发明实施例的基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF电路的示意图。
图2是本发明实施例的RCRO PUF的配置策略示意图。
图3是本发明实施例的RCRO PUF的一种优化设计示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明所提出的基于RRAM的高效可重构环形振荡器PUF（RCRO PUF）的总体电路设计如图1所示，其基本单元为1T1R结构，图中包括了RRAM的读写模块，环形振荡器模块和输出采集比较模块。该RRAM阵列为m×n，并且包括了字线WL。WL线用来打开或者关断对应行的NMOS以选通RRAM单元，在选通某行的导电通路时，需要相应使能该行的WL线，以防止漏电流等影响PUF的可靠性。RO模块包括了首尾相接的8个反相器和1个与非门，与非门可以通过控制信号控制RO是否能够产生振荡：当Enable=“1”时，RO可以产生振荡；当Enable=“0”时，RO则不能振荡。当RRAM阵列馈电给RO，RO开始振荡。相比于传统CRO PUF，该设计节约了大量的反相器资源。
PUF基本单元中，熵源电路主要包括NMOS-RRAM（1 transistor 1 RRAM，1T1R）Crossbar阵列电路、对应的编程和读取电路。1T1R单元构成的Crossbar阵列结构通过列选择器、行解码器以及WL使能线来实现可重构操作。1T1R结构可以使所提出的PUF实现与基于RRAM Crossbar阵列的主流存储应用相兼容，并提高密度最小化电路面积。该1T1R阵列包括三种电路控制线，分别为行线Row、列线Col以及使能信号线WL，相应的，激励信号主要包括了三部分，列选择器、行解码器和WL使能线以及环形振荡器的振荡使能信号。通过WL可以使能NMOS管，从而控制该行的1T1R单元是否导通。通过打开相应的行线和列线，可以选择不同的行和相应的RRAM通路，从而实现PUF的可配置性。
第一激励作为地址输入给行解码器，选择两个不同的行作为两个环形振荡器的馈电输入，同时需要使能相应的WL线，然后第二激励作为地址输入给列选择器，可以选择两行中任意数量的RRAM参与到熵源的提取中去。由于RRAM设备间的阻值差异，对两路信号输入相同的电压时，其输出的电流以及环形振荡器的供电端电压都会产生细微的差异，导致环形振荡器的振荡频率发生较大的变化。由于配置灵活，可重构性强，在相同面积的电路中，可以产生大量的激励响应对用于设备身份认证。
响应产生电路包括了由8级反向器和1级与非门首尾相连构成的9级环形振荡器电路，与非门的一个输入端和输出端与各反向器首尾相连，奇数级的反向结构可以保证振荡的稳定性, 与非门的另一个输入端作为控制信号，在需要进行认证时，使能环形振荡器振荡；在不需要工作时，使能信号可以配置与非门输出为稳定信号，从而使环形振荡器模块处于稳态，不再进行振荡，从而降低PUF不工作时的功耗。环形振荡器电路可以放大RRAMCrossbar阵列的随机熵源，最终表现为环形振荡器的振荡频率的变化。最后包括了计数器和比较器电路，计数器对振荡频率进行计数，最后通过比较器比较频率大小，产生唯一的响应值。由于供电电压首先需要经过1T1R阵列，然后将电压施加给环形振荡器的供电端，因此环形振荡器的供电电压相对较低，较低的电压可以降低环形振荡器的振荡频率，从而避免计数器中产生大量的比特位。
RRAM Crossbar阵列与环形振荡器电路的工作原理为：通过列选择器和写驱动电路，施加供电电压给1T1R阵列中相应行的RRAM，再经过行解码器与环形振荡器电路PMOS的漏级相连。该环形振荡器电路包括8级反向器和1级与非门，所有CMOS逻辑门中的PMOS都与RRAM Crossbar阵列相连，通过与非门的Enable使能信号，可以控制环形振荡器电路是否产生振荡，相比于传统的可重构环形振荡器PUF，该设计只使用了9级反向结构，节约了大量反向器资源，并大大降低了功耗。
由于两个环形振荡器之间也存在着工艺误差，其会导致频率偏移，最终的响应值均匀性较差，并且，环形振荡器容易受到温度、老化等影响。为了增强RO PUF响应的均匀性和稳定性，本发明还提出了一种可以提高RO PUF均匀性和可靠性的优化设计，该优化设计不再在一个周期内比较两路环形振荡器的输出，而是在两个周期中，比较同一路信号的振荡频率。该设计在原RO PUF设计的基础上增加一个寄存器模块，将两个环形振荡器分离，计数器同时与比较器和寄存器相连。寄存器可以存储上一个周期中的振荡频率，与本周期的振荡频率相比较，以降低在比较时两个不同环形振荡器中，由于CMOS管带来的工艺误差和噪声抖动，导致的上下路振荡频率的偏移。同时，该设计不再局限于两路信号，为了增加PUF产生响应的速率，可以牺牲面积为代价，增加多路响应提取电路，在一个周期中，产生多bit的响应值。
假设该RCRO PUF的RRAM阵列大小为32×32（1k），则该 PUF产生CRPs的具体操作步骤为：
1）Reset阶段：在PUF部署工作之前，需要对其进行Reset操作以将其设置为一种PUF实例。打开所有的WL线，驱动所有Col线（列线）和Row线（行线），并对所有的Col线输入超过RRAM反向阈值的脉冲电压，将RRAM Reset为HRS。因为每一行的RRAM最终是并联的形式参与到RO的馈电中，所以需要较高的电阻值保证输出的可靠性；
2）激励配置阶段：10 bit激励分为两个5 bit信号选择并使能两个WL线，选取对应两行的Row通路，同时将该10 bit激励输入给行解码器，接通两行的Row线。未选择的Row被悬空。此外，32位bit激励使能相应的Col线，激励为“1”则给该位的Col线供电；激励为“0”则悬空该位的Col线。因此，需要输入42 bit的激励以产生一位的响应值；
3）响应产生阶段：输入激励后，在选通的Row中，打开的Col线对应的RRAM将参与到RO模块的馈电中去，并且该Row中的RRAM都是并列状态，因此最终的电阻为所有选择的RRAM的并列值。由于RRAM阻值的器件间差异，导致输入到RO中的电压发生变化，最终输出为RO的振荡频率的不同。通过比较器比较两路RO振荡频率的大小，产生唯一的1 bit响应值；
4）PUF刷新阶段：当PUF产生的CRPs的数量超过了机器学习成功建模的阈值时，需要对PUF进行刷新，将其重置为一个新的PUF实例，让其模型无效，不能够成功预测响应的产生。刷新操作，需要打开所有的WL线，驱动所有的Col线和Row线，并对所有的Col线输入超过RRAM正向阈值的脉冲电压，将RRAM都Set为LRS，之后重新执行Reset阶段。由于RRAM周期间的变化，所有RRAM的HRS电阻值都将发生变化，达到重置PUF以抵抗机器学习攻击的效果。
对于RCRO PUF的激励，其具体配置方案如图2所示，激励位长为42 bit，33~42 bit为行选择位，每5 bit对应一个Row线和WL线的地址，从而选通两个横向路径。因为在此RCROPUF中，每行通路中可以选择任意数量的RRAM参与到响应的生成中去，所以前32 bit激励，每1 bit对应一个Col线，“1”则代表该列的RRAM被使能。最终，该行所有使能的RRAM呈并列电阻形式，给RO模块进行馈电。在m×n的PUF阵列中，每行可以选择任意数量的RRAM，因此，每行可配置的激励响应对数量为：
在m行中，每次可选择任意两行的通路进行输出，因此，总体可配置的激励响应对数量为：
所提出的RCRO PUF设计增加了PUF的可重构性，可以产生大量的激励响应对，显著提高了RRAM的器件利用率。
本发明还提出了一种优化设计，可以忽略RO中反相器本身的工艺误差，其具体设计如图3所示，在原来的输出设计中增加了一个寄存器模块。RRAMS1和RRAMS2为选择的两条Row通路的并联电阻值，通过增加的寄存器模块存储这一个周期中的振荡频率，也就是计数器的数值，来与下一个周期中的数值进行比。PUF响应的产生方式不再是比较两个RO的振荡频率，而是比较同一个RO的两次振荡频率，在这种情况下，产生的频率由于是基于同一个RO，所以可以避免两个RO之间本身的频率差。同时，RO的振荡频率会受反相器老化的影响，优化之后的设计也可以避免两个RO老化程度不同的影响，提高PUF的可靠性和安全性。图3中包含了两个独立的响应产生路径，其结构和工作方式相同，采用两个路径是为了提高其响应产生的速率，但同时也会消耗更大的面积，因此需要在面积和速率之间进行权衡。每打开一路的Row，就可以通过独立一路的输出电路产生响应值，因此在面积允许的情况下，每周期产生的最大bit响应为该RRAM阵列的行数。在资源受限的设备中，最少也可以只采用一路输出电路，减少电路面积。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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