Tipos de función física no clonable

La tecnología Via PUF se basa en la formación de " vías " o "contactos" durante el proceso de fabricación CMOS estándar . Esta tecnología es el resultado de un enfoque inverso. En lugar de cumplir con las reglas de diseño, reduce el tamaño de las vías o contactos de forma controlada, lo que da lugar a una formación impredecible o estocástica de las mismas, es decir, con una probabilidad del 50 % de establecer la conexión eléctrica. Los detalles de la tecnología se publicaron por primera vez en 2020 ^{[ 5 ] [ 6 ]} , aunque ICTK ya la producía en masa desde 2015. Algunas características de Via PUF son las siguientes:

• Fiabilidad : Gracias a su propiedad metálica, una vez que se forman las vías o contactos en una estructura, permanecen prácticamente invariables, independientemente de las variaciones de PVT. Esto se traduce en una tasa de error de bits del 0 % , eliminando la necesidad de etapas de posprocesamiento como códigos de corrección de errores o algoritmos de datos auxiliares. La tecnología está verificada mediante las pruebas estándar JEDEC y ha superado la prueba Q-100 Grado 3 del Consejo de Electrónica Automotriz para aplicaciones automotrices.
• La aleatoriedad de la PUF Via alcanza un peso de Hamming de 0,4972 , cercano al valor ideal de 0,5. La tecnología superó las pruebas de aleatoriedad de la publicación especial NIST 800-92 y NIST SP 800-90B .
• Unicidad e 'InbornID' : La unicidad es una propiedad importante de la PUF, ya que garantiza que la ID de un chip sea siempre diferente de la de otros chips. La PUF Via reporta un valor de distancia de Hamming de 0,4999 , cercano a la unicidad ideal de 0,5. El 'InbornID' de la PUF Via representa la ID única e innata de un chip de silicio.
• La discreción es una de las grandes ventajas de utilizar la tecnología Via PUF en la implementación de circuitos integrados. Los orificios de contacto (Via) de PUF se encuentran dispersos por todo el chip. No es necesario formar bloques de matriz como en el caso de SRAM PUF. Resulta prácticamente imposible distinguir las vías PUF de las vías lógicas convencionales, lo que hace que la ingeniería inversa de circuitos integrados sea casi imposible.
• Proceso de fabricación estándar : La tecnología Via PUF utiliza estructuras de celdas estándar de una biblioteca digital estándar con voltaje de núcleo regular. No requiere alto voltaje ni circuitos especiales como una bomba de carga . No se necesita ninguna capa de máscara adicional en el proceso de fabricación del circuito integrado.

Los chips RoT (Raíz de Confianza) de hardware basados ​​en Via PUF se utilizan actualmente en diversos mercados, como telecomunicaciones, electrodomésticos y dispositivos IoT, en forma de módulos Wifi/BLE, cerraduras inteligentes, cámaras IP, concentradores de sensores IR , etc. Esta tecnología admite funciones de seguridad como la protección contra la falsificación, el arranque seguro, la protección contra la copia segura del firmware, la actualización segura del firmware y la integridad segura de los datos .

Un PUF de retardo aprovecha las variaciones aleatorias en los retardos de los cables y las compuertas en el silicio. Ante un desafío de entrada, se establece una condición de carrera en el circuito y se comparan dos transiciones que se propagan por diferentes rutas para determinar cuál llega primero. Un árbitro, generalmente implementado como un pestillo, produce un 1 o un 0, según la transición que llegue primero. Son posibles muchas implementaciones de circuitos y al menos dos ya se han fabricado. Cuando un circuito con la misma máscara de diseño se fabrica en diferentes chips, la función lógica implementada por el circuito es diferente para cada chip debido a las variaciones aleatorias de los retardos.

Una PUF basada en un bucle de retardo, es decir, un oscilador de anillo con lógica, en la publicación que introdujo el acrónimo PUF y la primera PUF integrada de cualquier tipo. ^{[ 7 ]} Se ha descrito una PUF basada en multiplexor, ^{[ 22 ]} así como un diseño de procesador seguro que utiliza una PUF ^{[ 23 ]} y una PUF basada en multiplexor con una interfaz RF para su uso en aplicaciones RFID antifalsificación. ^{[ 24 ]}

Estas PUF utilizan la aleatoriedad en el comportamiento de encendido de la memoria de acceso aleatorio estática estándar en un chip como una PUF. El uso de SRAM como una PUF fue introducido en 2007 simultáneamente por investigadores en el Philips High Tech Campus y en la Universidad de Massachusetts . ^{[ 8 ] [ 25 ] [ 26 ]} Dado que la PUF de SRAM se puede conectar directamente a circuitos digitales estándar integrados en el mismo chip, se pueden implementar inmediatamente como un bloque de hardware en implementaciones criptográficas , lo que las hace de particular interés para soluciones de seguridad. La tecnología PUF basada en SRAM ha sido investigada extensamente. Varios artículos de investigación exploran la tecnología PUF basada en SRAM en temas como comportamiento, implementación o aplicación para fines antifalsificación. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Es notable la implementación del almacenamiento seguro de clave secreta sin almacenar la clave en forma digital. ^{[ 26 ] [ 28 ] [ 29 ]} Las implementaciones criptográficas basadas en PUF de SRAM han sido comercializadas por Intrinsic ID, ^{[ 30 ]} una empresa derivada de Philips , y a partir de 2019, están disponibles en todos los nodos tecnológicos desde 350  nm hasta 7  nm. Intrinsic ID fue adquirida por Synopsys, empresa de software de automatización de diseño electrónico y propiedad intelectual de silicio, en 2024. ^{[ 31 ]}

Debido a las variaciones en el proceso de fabricación a escala submicrométrica, cada transistor en un circuito integrado (CI) tiene propiedades físicas ligeramente diferentes. Esto genera pequeñas diferencias en las propiedades electrónicas, como los voltajes umbral y el factor de ganancia de los transistores. El comportamiento de arranque de una celda SRAM depende de la diferencia entre los voltajes umbral de sus transistores y otros parámetros de los mismos. Una celda SRAM tiene dos estados estables, que normalmente representan los estados lógicos cero y uno. Si los transistores de una celda SRAM fueran idénticos, la celda estaría perfectamente equilibrada y arrancaría aleatoriamente en uno de los dos estados estables. Sin embargo, incluso las más pequeñas diferencias entre los parámetros de los transistores crearán un desequilibrio en la celda y la empujarán a uno de los dos estados estables con mayor probabilidad que al otro. ^{[ 32 ]} Dado que la mayoría de las celdas SRAM tienen su propio estado preferido cada vez que se alimentan, a partir de una matriz de celdas SRAM se puede obtener un patrón único y aleatorio de ceros y unos. Este patrón es como la huella digital de un chip, ya que es único para una SRAM en particular y, por lo tanto, para un chip en particular.

El PUF Butterfly se basa en el acoplamiento cruzado de dos biestables o flip-flops. ^{[ 42 ]} El mecanismo utilizado en este PUF es similar al del SRAM PUF, pero tiene la ventaja de que puede implementarse en cualquier FPGA SRAM .

La PUF basada en la resistencia del metal deriva su entropía de variaciones físicas aleatorias en los contactos metálicos, vías y cables que definen la red de alimentación y la interconexión de un circuito integrado. ^{[ 9 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} Existen varias ventajas importantes al aprovechar las variaciones de resistencia aleatorias en los recursos metálicos de un circuito integrado, entre ellas:

• Estabilidad de temperatura y voltaje : Las variaciones de temperatura y voltaje (TV) representan uno de los desafíos más importantes para las PUF en aplicaciones que requieren la regeneración de la misma cadena de bits posteriormente, como el cifrado. La resistencia del metal (a diferencia de los transistores) varía linealmente con la temperatura y es independiente del voltaje. Por lo tanto, la resistencia del metal proporciona un alto nivel de robustez ante cambios en las condiciones ambientales.
• Ubicuidad : El metal es (actualmente) el único material conductor en el chip que está dispuesto en capas, lo que permite la creación de fuentes de entropía PUF de alta densidad y muy compactas. Los procesos avanzados crean 11 o más capas de metal sobre el plano (x,y) de los transistores subyacentes.
• Fiabilidad : El mecanismo de desgaste del metal es la electromigración, que, al igual que las variaciones de TV, afecta negativamente la capacidad de la PUF para reproducir la misma cadena de bits a lo largo del tiempo. Sin embargo, el proceso de electromigración se comprende bien y puede evitarse por completo dimensionando adecuadamente los cables, las vías y los contactos metálicos. Por otro lado, los problemas de fiabilidad de los transistores, como la inestabilidad de temperatura con polarización negativa (NBTI ) y la HCI, son más difíciles de mitigar.
• Resiliencia : Informes recientes han demostrado que las PUF basadas en transistores, en particular las PUF SRAM, son vulnerables a la clonación. Las PUF con resistencia metálica no son susceptibles a este tipo de ataques de clonación debido a la alta complejidad asociada con el ajuste de los cables en la copia para igualar las resistencias. Además, al agregar una o más capas de blindaje en las capas metálicas superiores más gruesas que recubren la PUF subyacente (construida con las capas metálicas inferiores), los ataques de sondeo frontal diseñados para extraer las resistencias metálicas de la copia resultan extremadamente difíciles o imposibles.

El PUF de anillo biestable o BR-PUF fue introducido por Q. Chen et al. en ^{[ 10 ] [ 46 ].} El BR-PUF se basa en la idea de que un anillo con un número par de inversores tiene dos posibles estados estables. Al duplicar los inversores y agregar multiplexores entre etapas, es posible generar un número exponencialmente grande de pares desafío-respuesta a partir del BR-PUF.

Dado que muchos sistemas informáticos incorporan algún tipo de DRAM, esta puede utilizarse como una PUF eficaz a nivel de sistema. La DRAM también es mucho más económica que la RAM estática (SRAM). Por lo tanto, las PUF de DRAM podrían ser una fuente de datos aleatorios pero fiables para generar identificaciones de placa (ID de chip). La ventaja de la PUF de DRAM radica en que la DRAM independiente ya presente en un sistema en un chip puede utilizarse para generar firmas específicas del dispositivo sin necesidad de circuitos ni hardware adicionales. Tehranipoor et al. ^{[ 11 ]} presentaron la primera PUF de DRAM que utiliza la aleatoriedad en el comportamiento de encendido de las celdas DRAM. Otros tipos de PUF de DRAM incluyen aquellas basadas en la retención de datos de las celdas DRAM ^{[ 47 ] y en los efectos de la modificación de los tiempos de latencia de escritura y lectura utilizados en las DRAM [ 48 ] [ 49 ]} .

El PUF digital ^{[ 12 ]} supera los problemas de vulnerabilidad de los PUF analógicos de silicio convencionales. A diferencia de los PUF analógicos, donde las huellas digitales provienen de las variaciones intrínsecas del proceso de los transistores, las huellas digitales de los PUF de circuitos digitales se extraen de la aleatoriedad geométrica de la interconexión VLSI inducida por las variaciones de la litografía. Sin embargo, esta incertidumbre de interconexión es incompatible con los circuitos CMOS VLSI debido a problemas como cortocircuitos, voltajes de puerta flotantes, etc., en los transistores. Una solución consiste en utilizar biestables fuertemente sesgados para garantizar el estado operativo estable de cada transistor CMOS, asegurando así que el circuito sea inmune a las variaciones ambientales y operativas.

La PUF de ruptura de óxido ^{[ 13 ]} es un tipo de PUF que se beneficia de la aleatoriedad obtenida de las propiedades no homogéneas del óxido de puerta natural que se producen en el proceso de fabricación de circuitos integrados. Junto con sus propiedades verdaderamente aleatorias, impredecibles y altamente estables, es la fuente más ideal para una función físicamente inclonable. Las empresas de diseño de circuitos integrados pueden mejorar significativamente el nivel de seguridad implementando la PUF de ruptura de óxido en su diseño, sin preocuparse por la fiabilidad ni la vida útil, y pueden eliminar los costes adicionales de los complejos circuitos ECC (Código de Corrección de Errores). La PUF de ruptura de óxido puede extraer bits binarios distribuidos uniformemente mediante un mecanismo de amplificación y auto-retroalimentación; los bits aleatorios se activan al registrarse y, debido a un gran pool de bits de entropía, los usuarios disponen de la flexibilidad necesaria para elegir sus propios enfoques de generación y gestión de claves. El nivel de seguridad se puede mejorar gracias a la aleatoriedad intrínseca y las características invisibles de la PUF de ruptura de óxido.

Un recubrimiento PUF ^{[ 14 ] [ 50 ] [ 51 ]} puede construirse en la capa superior de un circuito integrado (CI) . Sobre un CI normal, se dispone una red de cables metálicos en forma de peine. El espacio entre y sobre la estructura de peine se rellena con un material opaco y se dopa aleatoriamente con partículas dieléctricas . Debido a la colocación aleatoria, el tamaño y la rigidez dieléctrica de las partículas, la capacitancia entre cada par de cables metálicos será aleatoria hasta cierto punto. Esta aleatoriedad única puede utilizarse para obtener un identificador único para el dispositivo que lleva el recubrimiento PUF. Además, la colocación de este PUF opaco en la capa superior de un CI protege los circuitos subyacentes de ser inspeccionados por un atacante, por ejemplo, para ingeniería inversa . Cuando un atacante intenta eliminar (una parte de) el recubrimiento, la capacitancia entre los cables cambiará y el identificador único original se destruirá. Se ha demostrado cómo se construye una etiqueta RFID inclonable con recubrimientos PUF. ^{[ 52 ]}

A medida que el tamaño de un sistema se reduce por debajo de la longitud de onda de De Broglie , los efectos del confinamiento cuántico adquieren una importancia crucial. La aleatoriedad intrínseca dentro de una PUF de confinamiento cuántico se origina en las no uniformidades composicionales y estructurales a nivel atómico. Las características físicas dependen de los efectos de la mecánica cuántica a esta escala, mientras que la mecánica cuántica está determinada por la estructura atómica aleatoria. Clonar este tipo de estructura es prácticamente imposible debido a la gran cantidad de átomos involucrados, la naturaleza incontrolable de los procesos a nivel atómico y la imposibilidad de manipular los átomos de forma fiable.

Se ha demostrado que los efectos de confinamiento cuántico pueden utilizarse para construir una PUF, en dispositivos conocidos como diodos de tunelización resonante . Estos dispositivos pueden producirse mediante procesos estándar de fabricación de semiconductores , lo que facilita la producción en masa de muchos dispositivos en paralelo. Este tipo de PUF requiere ingeniería a nivel atómico para su clonación y es la PUF más pequeña y con mayor densidad de bits conocida hasta la fecha. Además, este tipo de PUF podría reiniciarse eficazmente mediante una sobrepolarización deliberada del dispositivo para provocar una reorganización local de los átomos. ^{[ 15 ]}

Una espuma de poliuretano magnética (PUF) se encuentra en una tarjeta de banda magnética . La estructura física del medio magnético aplicado a la tarjeta se fabrica mezclando miles de millones de partículas de ferrita de bario en una suspensión durante el proceso de fabricación. Las partículas tienen diversas formas y tamaños. La suspensión se aplica a una capa receptora. Las partículas se depositan de forma aleatoria, como si se vertiera un puñado de arena magnética húmeda sobre un soporte. Verter la arena para que se deposite exactamente en el mismo patrón por segunda vez es físicamente imposible debido a la imprecisión del proceso, la enorme cantidad de partículas y la geometría aleatoria de su forma y tamaño. La aleatoriedad introducida durante el proceso de fabricación no se puede controlar. Este es un ejemplo clásico de una PUF que utiliza aleatoriedad intrínseca.

Cuando la suspensión se seca, la capa receptora se corta en tiras y se aplica a tarjetas de plástico, pero el patrón aleatorio de la banda magnética permanece y no se puede modificar. Debido a su naturaleza físicamente imposible de clonar, es muy improbable que dos tarjetas con banda magnética sean idénticas. Utilizando una tarjeta de tamaño estándar, la probabilidad de que dos tarjetas cualesquiera tengan una PUF magnética idéntica se calcula en 1 entre 900 millones. Además, como la PUF es magnética, cada tarjeta tendrá una señal magnética distintiva, repetible y legible.

• Personalización de la PUF magnética : Los datos personales codificados en la banda magnética añaden otra capa de aleatoriedad. Cuando la tarjeta contiene información de identificación personal, la probabilidad de que dos tarjetas con banda magnética codificada tengan una firma magnética idéntica es de aproximadamente 1 entre 10 mil millones. Los datos codificados pueden utilizarse como marcador para localizar elementos importantes de la PUF. Esta firma puede digitalizarse y se denomina generalmente huella digital magnética. Un ejemplo de su uso se encuentra en el sistema de marca Magneprint. ^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}
• Estimulación de la PUF magnética : El cabezal magnético actúa como un estímulo sobre la PUF y amplifica la señal magnética aleatoria. Debido a la compleja interacción del cabezal magnético, influenciada por la velocidad, la presión, la dirección y la aceleración, con los componentes aleatorios de la PUF, cada deslizamiento del cabezal sobre la PUF magnética generará una señal estocástica, pero muy distintiva. Imagínelo como una canción con miles de notas. La probabilidad de que las mismas notas se repitan en un patrón exacto en una sola tarjeta deslizada muchas veces es de 1 entre 100 millones, pero en general la melodía sigue siendo muy reconocible.
• Usos de una PUF magnética : El comportamiento estocástico de la PUF, junto con el estímulo de la cabeza, convierte a la tarjeta de banda magnética en una excelente herramienta para la autenticación dinámica de tokens , la identificación forense , la generación de claves , las contraseñas de un solo uso y las firmas digitales .

La primera función físicamente inclonable (PUF) fue introducida por R. Pappu en 2002, ^{[ 56 ]} y era una PUF óptica (O-PUF). Pappu observó que diferentes láseres producían patrones de moteado distintos debido a sutiles variaciones de fabricación, lo que demostró que estas respuestas ópticas únicas podían servir como identificadores inclonables. Si bien los patrones de moteado láser representan un ejemplo temprano de O-PUF, la categoría abarca una gama más amplia de implementaciones. La mayoría de las O-PUF utilizan partículas emisoras de luz incrustadas en sustratos para generar comportamientos únicos de desafío-respuesta medibles mediante imágenes ópticas. Estos sistemas aprovechan la aleatoriedad física inherente a los procesos de fabricación, lo que hace inviable la replicación exacta y permite esquemas de autenticación robustos.

Trabajos recientes han resaltado la importancia de evaluar cuidadosamente las PUF ópticas utilizando una variedad de métricas debido a sus características de salida complejas y a menudo no independientes y no idénticamente distribuidas (no-IID). Las métricas tradicionales basadas en la media, como la confiabilidad y la unicidad, comúnmente utilizadas en las PUF electrónicas, pueden no capturar completamente el rendimiento de las PUF ópticas. Para abordar esto, se ha desarrollado un marco estandarizado para evaluar las PUF con imágenes ópticas, que incluye un conjunto de herramientas de Python llamado pyopticalpuf, que facilita el análisis reproducible y completo de las métricas de las PUF ópticas. ^{[ 57 ]}

Aprovechando la misma dificultad de clonación derivada de la mecánica cuántica que la PUF electrónica cuántica, se puede diseñar una PUF cuántica que opere en el régimen óptico. Las imperfecciones creadas durante el crecimiento o la fabricación de cristales dan lugar a variaciones espaciales en la banda prohibida de los materiales 2D que pueden caracterizarse mediante mediciones de fotoluminiscencia . Se ha demostrado que un filtro de transmisión con ángulo ajustable , una óptica sencilla y una cámara CCD pueden capturar fotoluminiscencia dependiente espacialmente para producir mapas complejos de información única a partir de monocapas 2D. ^{[ 18 ]}

Los datos modulados digitalmente en los circuitos de comunicación modernos están sujetos a deficiencias analógicas/de RF únicas y específicas de cada dispositivo, como errores/desfases de frecuencia y desequilibrio IQ (en el transmisor), que normalmente se compensan en el receptor, el cual rechaza estas no idealidades. RF-PUF ^{[ 58 ] [ 59 ]} y RF-DNA ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]} utilizan estas no idealidades existentes para distinguir entre instancias de transmisor. RF-PUF no utiliza ningún hardware adicional en el transmisor y puede utilizarse como una función de seguridad de capa física independiente o para autenticación multifactor , junto con funciones de seguridad de capa de red, capa de transporte y capa de aplicación.