什么是物理不可克隆功能？
PUF 可以是产生这些特定于实例的测量的任何物理对象。 然而，在本文中，我们将关注最著名的 PUF 子集，它们是 硅 PUF。 顾名思义，这种特定类型的PUF从硅获得其特定于实例的测量值，这意味着这些PUF是集成电路（IC）的一部分。
由于深亚微米制造工艺的差异，IC中的每个晶体管的物理特性都会略有不同。 这些变化导致在电子特性方面（例如晶体管阈值电压和增益因数）的微小但可测量的差异。 由于在制造过程中无法完全控制这些过程变化，因此无法复制或克隆这些物理设备属性。
通过利用这些固有的变化，发现PUF可用作任何给定IC的唯一标识符非常有价值。 他们通过IC内的电路来实现此目的，该电路将微小的变化转换为0和1的数字模式，这对于该特定芯片而言是唯一的，并且随着时间的推移可重复。 这种模式是“硅指纹”，可与人类生物特征类似。
使用某些算法（将在本文后面进行介绍），将硅指纹转换为该芯片唯一的加密密钥，并将其用作其根密钥。 只要系统需要，就可以从PUF可靠地重建此根密钥，而无需将密钥存储在任何形式的内存中。 因此，在关闭设备电源后，任何形式的内存中都不会出现任何秘密密钥。 实际上，根密钥对攻击者“不可见”，这使得使用PUF进行密钥存储非常安全。
该技术的使用从 物联网安全的物理不可克隆功能，该技术的低成本和灵活的实施提供了巨大的好处，一直到 用于航空航天和国防的物理不可克隆功能，证明该技术能够提供最高级别的安全性。
“物理不可克隆的功能（PUF）是创新的物理安全原语，可产生不可克隆的和固有的特定于实例的物理对象度量； 在许多方面，它们是人类生物统计学的无生命等同物。 由于它们能够安全地生成和存储机密信息，因此它们使我们能够引导信息安全系统的物理实现。”
— 罗尔·梅斯在“物理上不可克隆的功能：构造，属性和应用=
物理不可克隆功能的优势
设备，尤其是属于物联网（IoT）的设备，需要密钥来保护其数据，IP和操作。 这些密钥既可以由设备制造商（也称为OEM）自己提供，也可以由芯片供应商在更早的阶段提供给设备。 当芯片供应商提供预先配置的芯片时，它们会增加向OEM出售产品的价值。 如果OEM决定自己进行配置，他们通常可以购买成本更低的芯片。
不管由哪一方来承担提供加密密钥的责任，执行该任务都不是一件容易的事。 将密钥注入芯片需要可信的工厂，这会增加制造过程的成本和复杂性，并限制灵活性。 可以通过在芯片内部内部创建密钥来避免这种复杂性，方法是使用内部 随机数发生器（RNG） 或PUF。
然而，生成密钥并不是唯一的挑战。 这是因为在设备上安全地存储密钥也绝非易事。 密钥不能简单地存储在非易失性存储器 (NVM)，因为 NVM 容易受到硬件攻击。 允许对手读取 NVM 内容的硬件攻击正变得越来越多 比较普遍;普遍上，使未受保护的密钥存储不可行。 因此，需要替代 安全密钥存储. 一种方法是添加一个 安全元素 到设备。 但是，增加硬件也带来了越来越大的复杂性和成本。 硅PUF可以安全地存储加密密钥，而无需添加任何其他硬件。
下表总结了用于设置和存储加密密钥的安全级别，供应链开销和技术选项的成本：
物联网设备中物理不可克隆功能的典型用例
钥匙库
PUF技术的最著名用例是为设备创建和存储加密根密钥。 PUF创建的加密根密钥不需要密钥注入，并且不能从一个设备复制到另一个设备。 这是因为它从不存储，而是在每次需要时从设备的硅指纹中重建。 由于每个芯片的指纹都不相同，因此攻击者无法将密钥从一个设备复制到另一个设备。
固件IP保护
如果物联网设备存储需要保护的敏感数据怎么办？ 这可能是有价值的IP，其中包含对隐私敏感或对系统至关重要的专有机密或测量数据。 这就是设备需要安全保管库的时候。 在安全保管库中，任何数据都可以安全且物理地绑定到设备的硬件。 通过使用从PUF根密钥派生的密钥对所有敏感数据进行加密，可以使用PUF轻松实现。
边缘到云的安全性
为了基于公钥基础设施（例如，与云服务的传输层安全性（TLS）连接）在IoT设备和云之间建立安全通道，需要与设备和云交换证书。 这些证书相互验证实体。 为了产生用于认证设备的证书，从PUF指纹产生一个公钥/私钥对。
PUF处理算法
如前所述，PUF实现需要处理算法才能将硅指纹转换为加密根密钥。 这是因为在不同的测量之间，硅指纹会略有噪声，因为除了初始的工艺变化外，电子特性还将受到周围条件（例如温度和电源）的影响。 因此，良好的PUF实施需要将该带噪指纹转换为0和1的完全稳定且完全随机的字符串，以使其有资格作为加密密钥。 为此，大多数PUF实现都使用两个过程：
- 纠错，以确保每次测量PUF时派生的密钥都相同
- 隐私放大，将指纹变成完全随机的字符串
纠错
用于密码密钥重建的纠错技术需要注册阶段和重建阶段。 在注册阶段（一次性过程）中，PUF响应被映射到纠错码的码字上。 有关映射的信息存储在激活码（AC）或“帮助数据”中。 AC的构造使其不会泄露有关密钥的任何信息。 它应该存储在可由PUF算法访问的内存中，但是由于不敏感，可以将其存储在芯片外。 对AC的任何更改（无论是否恶意）都将阻止密钥重建。 AC仅对创建它的芯片有效。
每次设备需要私密PUF密钥时，都会执行新的有噪PUF测量，并从AC和此新PUF响应中提取PUF密钥（无噪声）。 这称为重建阶段。 入学阶段和重建阶段都在下面说明。
隐私放大
秘密密钥基于它们是完全随机的因此不可预测的事实提供安全性。 物理测量（例如PUF响应）具有高度的随机性，但通常不是完全统一的随机性。 隐私放大算法用于生成统一的随机密钥，例如通过将具有足够熵的大量数据散列为128或256位的随机字符串。
实施物理上不可克隆的功能有哪些挑战？
如果PUF确实是设备的如此巨大的信任锚，那么为什么每个芯片供应商和OEM都不部署自己的PUF实现？ 这是因为发现和生产新型PUF并不容易。 许多研究都在寻找具有创建设备指纹所需行为类型的芯片元素，此时，实际的生产甚至还没有开始。 为了定义纠错和隐私放大算法所需的参数，需要在变化的环境下以及随着硅老化的增加进行数百万次测量。 新PUF实施产品的生产过程通常需要多年的研发工作。
而且，这甚至没有提及许多PUF实施方案，甚至是当今已经公知和商业化的实施方案，都需要对芯片硬件进行重大更改的事实。 添加此类PUF会导致制造过程发生变化，或者通过增加生产所需的掩模数量，甚至需要非标准的加工步骤来实现。 如前所述，这将大大增加在芯片上添加PUF技术的成本，从而降低使用PUF的低成本优势。
SRAM PUF
SRAM单元的行为取决于其晶体管的阈值电压之差。 即使最小的差异也会被放大，并将SRAM单元推入两个稳定状态之一。 因此，它的PUF行为比基础阈值电压要稳定得多，这使其成为使用晶体管阈值电压来构建标识符的最直接，最稳定的方法。
蝴蝶PUF
Butterfly PUF的概念基于在启动阶段在FPGA矩阵内创建类似于SRAM单元的结构的想法。 Butterfly PUF单元是交叉耦合的双稳态电路，在稳定到可能的两个稳定状态之一之前，它可以进入不稳定状态。
总结
A Physical unclonable function, or PUF, is a very valuable security building block for chip vendors and OEMs.物理不可克隆功能（PUF）对于芯片供应商和OEM来说是非常有价值的安全构建基块。 The cryptographic key that is created and securely “stored” by a PUF provides an anchor of trust for a device.由PUF创建并安全“存储”的加密密钥为设备提供了信任锚。 It is the cornerstone of successful use cases for protecting keys, data, IP, and setting up secure connections with the cloud or other devices.它是保护密钥，数据，IP以及与云或其他设备建立安全连接的成功用例的基石。
在电子电路中发现和生产PUF需要花费多年的研发努力，但幸运的是，有几种PUF实施方案可供使用。 SRAM PUF和Butterfly PUF是不需要额外硬件且基于标准CMOS工艺的PUF实现的示例，这使它们可以以非常低的成本集成到芯片和设备中。 借助这些经过硅验证的PUF，制造商可以解决密钥配置的复杂性，并且任何设备都可以轻松获得强大的信任基础。