PUF介绍

PUF，为物联网铸造可信根，Physical Unclonable Functions（物理不可克隆函数）的缩写，其原理是芯片物理制造过程中形成的微小可测量、不可控制、不可克隆的独特电子特性。

PUF

• 什么是PUF
  • 定义
    • Physical Unclonable Functions（物理不可克隆函数）的缩写
  • 原理
    • 芯片物理制造过程中形成的微小可测量、不可控制、不可克隆的独特电子特性
  • 功能
    • 秘钥内生机制
      • 芯片无需再通过外部注入的方式写入秘钥
    • 私钥不存储
      • 极大提高了秘钥的安全性
  • 核心价值
    • 作为硬件信任根
      • 保护IOT设备、数据和服务
• SRAM PUF
  • 原理
    • 每个SRAM单元的上电状态都倾向于以0或者1出现，对于一块SRAM单元来说，上电状态会形成随机阵列，这个阵列唯一且不可克隆，可以用于生成秘钥。
  • SRAM PUF的可靠性
    • 单元比特翻转
      • SRAM PUF噪声
        • 由于噪声影响，基于SRAM的PUF响应不能直接作为秘钥，需要对PUF响应进行秘钥提取；基于纠错功能和随机提取器的秘钥提取算法，必须在每次需要时派生相同的秘钥。
    • 环境温度的影响
      • 测量范围从-55℃到125℃（国军标）SRAM PUF响应与25℃时进行比较，结果是在极端温度下SRAM PUF噪声较高，但是仍远低于20%
    • 硅老化的影响
      • 基于SRAM的PUF的使用寿命比原始SRAM的使用寿命长得多
  • 秘钥
    • 秘钥提取
      • 使用模糊提取器或辅助数据算法
    • 注册阶段
      • 芯片一个生命周期仅进行一次
        • 可以灵活的选择在什么阶段进行
    • 秘钥重构
      • 在秘钥应用现场
    • 纠错机制
      • 大致原理
        • 安全性
          • 纠错码必须足够多，如果码字太少，则生成的唯一秘钥的熵就太小，不够安全
        • 可靠性
          • 即使在最坏的情况下，纠错码也必须能够纠正所有基于SRAM的PUF比特错误
        • 速度快
          • 秘钥的创建速度必须足够快，才能满足市场需要
        • 足够小
          • 纠错码在关键或者硬件熵设计实现代码规模必须足够小，才可以在资源有限的环境进行集成，而且实现成本才能保持在最低水平。
    • 秘钥可靠性
      • 秘钥故障率在实际应用中应该小于10-9
  • 结论
    • SRAM PUF是一种可靠的产生设备秘钥、保证设备安全性的技术，可以在非常长时间和多种情况下产生加密秘钥，适用于许多非常严格要求的场景，例如汽车和国防。
• PUF技术应用现状
  • 海外
    • 已被相关领域主流厂商或平台采用
      • Top 6 MCU厂商
      • Top 5 FPGA平台
      • 10+ 国际认证机构最高安全证书
    • 已被物联网各细分行业头部企业使用
      • 区块链Guardtime
      • 云服务Amazon
      • 汽车电子 Renesas
    • 典型应用案例
      • 三星：应用于Galaxy 手机、 Exynos i S111 处理器的窄带物联网设备、 安全芯片 S3FV9RR系列
      • 苹果：供应商Imagination的图形处理器、人工智能处理器和通信IP应用于苹果手机
      • 恩智浦：主力微处理器LPC55SXX系列
      • 美信：内含PUF的MAX32520处理器，广泛应用于物联网
      • GlobalSign：吸取2011年“IchSun”黑客入侵的教训，通过PUF升级设备
  • 国内
    • 上海复旦微电子
      • NFC标签芯片
        • FM13HS02芯片中加入了PUF(物理不可克隆功能)设计
      • RFID芯片
        • 复旦微电子于2017年研发成功超高频（GB29768协议）SM7国密算法芯片及高频（ISO15693协议）SM7国密算法芯片。并通过自研的PUF（物理不可克隆功能）技术增强芯片安全性，能够抵抗侧信道攻击，安全等级达国密II-B级。
      • NFC-PUF解决方案
        • 子京东星链携手复旦微电子集团等优秀供应商，用“中国芯”NFC防伪溯源方案为品牌商保驾护航，致力于为品牌和消费者提供可鉴真、可溯源的安全认证服务。主题
      • NFC-PUF解决方案
        • 复旦微电子对外提供唯一性发行与认证服务(简称UIVS：Uniqueness Issuance and Validation Services)，实现全套PUF NFC加解密芯片的密钥发行及加解密真伪认定功能。
    • 广东高云半导体
      • 安全FPGA芯片
        • 高云安全FPGA产品提供了一个基于物理不可克隆功能（PUF）技术的硬件安全根。
    • 芯动科技
      • 4K级显卡GPU
        • 风华1号/风华2号
          • 芯片支持32路SRIOV虚拟化，内置中国专利的物理不可克隆PUF技术，保护信息安全
    • 昕原半导体
      • 安全存储芯片
        • “昕·山文”系列安全存储芯片集成有高可靠性ReRAM安全存储、密码算法引擎以及ReRAM PUF（Physical Unclonable Function-物理不可克隆函数），并提供丰富的接口和使用模式。该系列芯片目前已在工控领域头部企业禾川科技的产线上量产商用。
    • 御芯微电子
      • SoC芯片
        • LPWAN 2.0 WIoTa芯片（UC8288）
    • 中移芯晟
      • 子主题
        • 超级S卡IM
        • MCU芯片
          • 雄芯一号芯片是中移物联网有限公司和中国雄安集团数字城市科技有限公司联合定义研发的带安全功能的MCU芯片，在MCU中增加了物理不可克隆功能(也就是通常说的PUF)。
        • 安全芯片
    • 长沙湖科微电子有限公司
      • 基于PUF（物理不可克隆芯片技术）的物联网安全溯源全周期监管方案
    • 陕西烽火实业有限公司
      • 基于PUF的军用装备软件知识产权防护系统
    • 美的电器
      • 与纽创信安联合应用PUF技术给智能家电终端做安全升级
    • 常州市建筑科学研究院集团股份有限公司 & 南京科杰建设工程质量检测有限公司
      • 检测数据防篡改（通过PUF芯片）
• PUF技术应用场景
  • 芯片安全
    • 适用： MCU、SOC、FPGA、传感器、智能卡芯片、安全SE芯片、可信计算芯片等。
  • 物联网安全
    • 通过PUF建⽴信任根，构建⾝份认证，密钥管理，安全启动、存储、传输的可信防护体系。
  • 知识产权保护
    • 使用PUF对设备实施软硬件加密及绑定；适用：军工国防 (FPGA固件保护)、消费电⼦类产品（如：点读笔、教育平板等内容保护)。
  • 防伪溯源
    • 用PUF技术建立不可克隆的唯一标识；适用：打印机耗材、无人机电池配件、医疗设备耗材、汽车配件、高端商品防伪溯源等。
• 帕孚公司介绍
  • 顶尖的专家团队
  • 完善的专利布局
    • 完全自主知识产权，围绕加密技术，共申请专利11件（4件与PUF强相关），其中9件已授权（7件为PCT），2件审批中。
  • 领先的技术实力
    • 6年间做过大量环境、寿命、老化、可靠性试验，充分验证PUF在-40~125度保持稳定，使用寿命30年以上；目前已投入商用。
    • 仅占用3.7~16k空间（根据不同功能模块），几乎不会对客户原有设计带来额外负担，非常易于集成于客户的嵌入式软件中。
  • 全球唯二、中国唯一掌握PUF软件方案技术的公司
    • 目前仅帕孚与美国Intrinsic ID两家公司掌握了相关技术，需要具备芯片、密码、软件算法等跨领域知识。
• 帕孚公司产品及优势
  • 产品
    • SoftPUF
      • 提供SDK软件集成PUF，无需修改硬件设计
        • 内生秘钥
        • 真随机数
        • 电子签名
        • 数据加密
        • 身份验证
    • HardPUF
      • 基于PUF技术的安全IP核或协处理器。
        • 通过SIM卡中集成PUF能力，可生成芯片独特的“指纹”信息，该“指纹”具有不可复制、不可预测、通电产生和断电消失等特性。
    • FPGA-PUF
      • 提供FPGA配置文件，以”软PUF”实现部署。
        • FPGA-PUF的PUF单元是交叉耦合的双稳态电路，上电后的不稳定状态会稳定到0或1两种可能的稳定状态。该结构由两部分组成，输出交叉耦合的锁存器，使用一种方法将蝶形PUF映射到FPGA结构上。已进行了广泛的测试和验证。
    • PUF-Solution
      • 基于PUF技术的底层到网络端到端安全解决方案。
        • 将MAC地址与PUF形成关联，杜绝MAC地址的伪造，进一步防止IP地址的伪造，解决了芯片的身份依据（MAC地址）不可靠问题，堵住了多数网络安全问题的源头，有效防止攻击者伪造或利用MAC地址和IP地址进行攻击。 基于PUF信任根，提供安全启动，安全固件升级，软件更新，安全调试，生命周期管理，安全通信协议，主机软件安全监控。实现木马预防与检测，病毒安全防范。
  • 优势
    • 安全性强
      • 构建根可信：唯⼀、不可克隆、不可篡改的"芯片指纹"
      • 私钥不存储：填补传统私钥保护短板
      • 完全自主知识产权：自主可控、安全可信
    • 灵活度高
      • 多种方式：软件SDK或硬件IP核均可，灵活方便
      • 灵活实施：已部署的设备亦可通过软件升级集成
      • 多种芯片：适用于MCU、SOC、FPGA等各类芯片
    • 成本更低
      • 无需额外硬件投入：软件SDK，简单集成
      • 管理成本更低：批量密钥生成和管理，无需第三方注入
      • 综合成本更低：降低风险，避免损失（数据、版权、声誉等）
• 帕孚公司案例
  • 某集团信通公司打造可信智能终端
    • 基于该终端的国产化元器件选型、技术标准等成果，明确集成终端物理安全防护需求，选配适用的物理不可克隆函数 (PUF ) 开展硬件安全防护方案设计，分析 PUF 电路安全性，确保 PUF 的随机性、数据密度和低功耗性能，提升终端抗模型攻击、侧信道攻击能力。
    • 构造基于存储器的 PUF，评估 PUF 随机性，设计 PUF 可配置功能，确保密钥输出符合算法要求。结合现有对称和非对称密码体制，利用 PUF 单向激励-响应模式，设计 PUF 身份识别的握手认证协议，实现确定信息动态重新生成敏感信息，减少存储开销，提升密钥、敏感信息安全性。
  • 中国移动（芯昇科技）
    • PUF应用于中移动芯晟SIM芯片CS18Sxx 、RISC-V内核低功耗大容量MCU CM32xx系列。
    • 利用PUF产生256bits私钥，私钥不存储，提升产品安全性。
    • 中移芯昇首款基于 RISC-V 内核的单片机（MCU）芯片CM32M4xxR 系列， 集成了PUF SDK，实现增强的安全功能。
  • 摩联、金宁汇：区块链的应用
    • 区块链技术能够保证上链后的数据可信，但是，必须保证上链前的数据来源可信，上链前的数据是由真实的物联网终端设备产生的真实数据，才能实现数据信任的全链条。
    • 摩联、金宁汇通过使用PUF技术，对设备进行唯一身份认证，并将该设备的所有权信息注册到总账中，该设备生成的每一条数据都经过唯一设备物理指纹的数字签名，并通过端到端的链进行保管。实现物联网数据的全链条可信安全和不可篡改。