Modelling and characterization of physically unclonable functions

par Zouha Cherif

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Lilian Bossuet.

Soutenue le 08-04-2014

à Saint-Etienne , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

Le président du jury était Ian O'Connor.

Le jury était composé de Lilian Bossuet, Ingrid Verbauwhede, Bruno Rouzeyre, Jean-Luc Danger, Viktor Fischer, Gilles Macario-Rat.

  • Titre traduit

    Modélisation et caractérisation des fonctions non clonables physiquement


  • Résumé

    Les fonctions non clonables physiquement, appelées PUF (Physically Unclonable Functions), représentent une technologie innovante qui permet de résoudre certains problèmes de sécurité et d’identification. Comme pour les empreintes humaines, les PUF permettent de différencier des circuits électroniques car chaque exemplaire produit une signature unique. Ces fonctions peuvent être utilisées pour des applications telles que l’authentification et la génération de clés cryptographiques. La propriété principale que l’on cherche à obtenir avec les PUF est la génération d’une réponse unique qui varie de façon aléatoire d’un circuit à un autre, sans la possibilité de la prédire. Une autre propriété de ces PUF est de toujours reproduire, quel que soit la variation de l’environnement de test, la même réponse à un même défi d’entrée. En plus, une fonction PUF doit être sécurisée contre les attaques qui permettraient de révéler sa réponse. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux PUF en silicium profitant des variations inhérentes aux technologies de fabrication des circuits intégrés CMOS. Nous présentons les principales architectures de PUF, leurs propriétés, et les techniques mises en œuvre pour les utiliser dans des applications de sécurité. Nous présentons d’abord deux nouvelles structures de PUF. La première structure appelée “Loop PUF” est basée sur des chaînes d’éléments à retard contrôlés. Elle consiste à comparer les délais de chaînes à retard identiques qui sont mises en série. Les points forts de cette structure sont la facilité de sa mise en œuvre sur les deux plates-formes ASIC et FPGA, la grande flexibilité pour l’authentification des circuits intégrés ainsi que la génération de clés de chiffrement. La deuxième structure proposée “TERO PUF” est basée sur le principe de cellules temporairement oscillantes. Elle exploite la métastabilité oscillatoire d’éléments couplés en croix, et peut aussi être utilisée pour un générateur vrai d’aléas (TRNG). Plus précisément, la réponse du PUF profite de la métastabilité oscillatoire introduite par une bascule SR lorsque les deux entrées S et R sont connectées au même signal d’entrée. Les résultats expérimentaux montrent le niveau de performances élevé des deux structures de PUF proposées. Ensuite, afin de comparer équitablement la qualité des différentes PUF à retard, nous proposons une méthode de caractérisation spécifique. Elle est basée sur des mesures statistiques des éléments à retard. Le principal avantage de cette méthode vient de sa capacité à permettre au concepteur d’être sûr que la fonction PUF aura les performances attendues avant sa mise en œuvre et sa fabrication. Enfin, en se basant sur les propriétés de non clonabilité et de l’imprévisibilité des PUF, nous présentons de nouvelles techniques d’authentification et de génération de clés de chiffrement en utilisant la “loop PUF” proposée. Les résultats théoriques et expérimentaux montrent l’efficacité des techniques introduites en termes de complexité et de fiabilité


  • Résumé

    Physically Unclonable Functions, or PUFs, are innovative technologies devoted to solve some security and identification issues. Similarly to a human fingerprint, PUFs allows to identify uniquely electronic devices as they produce an instance-specific signature. Applications as authentication or key generation can take advantage of this embedded function. The main property that we try to obtain from a PUF is the generation of a unique response that varies randomly from one physical device to another without allowing its prediction. Another important property of these PUF is to always reproduce the same response for the same input challenge even in a changing environment. Moreover, the PUF system should be secure against attacks that could reveal its response. In this thesis, we are interested in silicon PUF which take advantage of inherent process variations during the manufacturing of CMOS integrated circuits. We present several PUF constructions, discuss their properties and the implementation techniques to use them in security applications. We first present two novel PUF structures. The first one, called “Loop PUF” is a delay based PUF which relies on the comparison of delay measurements of identical serial delay chains. The major contribution brought by the use of this structure is its implementation simplicity on both ASIC and FPGA platforms, and its flexibility as it can be used for reliable authentication or key generation. The second proposed structure is a ring-oscillator based PUF cells “TERO PUF”. It exploits the oscillatory metastability of cross-coupled elements, and can also be used as True Random Number Generator (TRNG). More precisely, the PUF response takes advantage from the introduced oscillatory metastability of an SR flip-flop when the S and R inputs are connected to the same input signal. Experimental results show the high performance of these two proposed PUF structures. Second, in order to fairly compare the quality of different delay based PUFs, we propose a specific characterization method. It is based on statistical measurements on basic delay elements. The main benefit of this method is that it allows the designer to be sure that the PUF will meet the expected performances before its implementation and fabrication. Finally, Based on the unclonability and unpredictability properties of the PUFs, we present new techniques to perform “loop PUF” authentication and cryptographic key generation. Theoretical and experimental results show the efficiency of the introduced techniques in terms of complexity and reliability


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