Иванюк Александр Александрович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информатики.
Ул. П. Бровки, 6, Минск, 220013
Alexander A. Ivaniuk - D. Sc. (Eng.), Prof., Prof. of Computer Science Department.
St. P. Brovki, 6, Minsk, 220013
Цели. Целью работы являются рассмотрение особенностей проектирования и реализации физически неклонируемой функции (ФНФ) конфигурируемого кольцевого осциллятора (ККО) на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа FPGA и оценка основных параметров схем ККО и характеристик ФНФ ККО в различных сценариях моделирования и размещения на кристаллах FPGA. Методы. Используются методы синтеза и анализа цифровых устройств, в том числе на программируемых логических интегральных схемах, основы цифровой схемотехники.
Результаты. Предложена обобщенная модель ФНФ, основанная на сравнении задержек распространения сигналов по паре симметричных путей. Модель включает в себя четыре основные стадии: генерирование множества симметричных путей (Generate), выборку из множества пары путей (Select/Switch), измерение задержки распространения сигнала для каждого выбранного пути (Measure) и вычисление бинарного ответа ФНФ на основе знака разницы измеренных задержек (Compute). Данная модель применима к таким классическим типам ФНФ, как ФНФ типа арбитр и ФНФ кольцевого осциллятора, и к их модификациям. На основе предложенной модели спроектирована ФНФ ККО, которая была реализована на ПЛИС типа FPGA Xilinx ZYNQ 7000. В ходе проведенных экспериментов над моделями и реализованными схемами были оценены основные временные параметры ККО и характеристики ФНФ ККО в различных сценариях моделирования и для двух типов размещения их компонент на кристаллах FPGA. Было показано, что подавляющую часть задержки распространения сигнала по выбранному пути составляет задержка на конфигурируемых межсоединениях FPGA, которая вне зависимости от типа применяемого размещения приводит к реализации множества заведомо асимметричных путей. Нарушение симметрии путей негативно сказывается на одной из важнейших характеристик ФНФ – внутрикристальной уникальности, низкие показатели которой могут служить сильным ограничением при реализации схем неклонируемой идентификации. При этом другие характеристики ФНФ, такие как единообразие, стабильность, надежность и внутрикристальная уникальность, имеют приемлемо высокие показатели.
Заключение. Проведенное параметрическое моделирование схем ФНФ ККО показало свою состоятельность при оценке таких характеристик ФНФ, как единообразие и внутрикристальная уникальность, что может быть использовано разработчиками для быстрой оценки качества проектируемых схем, не прибегая к их реализации. Обеспечение приемлемых значений межкристальной уникальности требует поиска новых схемотехнических решений, которые будут приводить к генерированию множества симметричных путей на ПЛИС типа FPGA. Кроме того, измеренные периоды схем ККО наглядно демонстрируют свою уникальность при их реализации как на одном, так и на различных кристаллах, что является основой для поиска новых методов и алгоритмов вычисления уникальных ответов ФНФ.
Objectives. Design and implementation features of a Physically Unclonable Function (PUF) based on a Configurable Ring Oscillator (CRO) on FPGA platforms are examined. The study aims to evaluate the key parameters of CRO circuits and the characteristics of CRO-based PUFs under various simulation scenarios and placement configurations on FPGA dies.
Methods. Methods of synthesis and analysis of digital devices are employed, including those based on programmable logic integrated circuits, as well as the fundamentals of digital circuit design.
Results. A generalized model of a PUF based on the comparison of signal propagation delays along a pair of symmetric paths is proposed. The model includes four main stages: Generate – generating a set of symmetric paths, Select/Switch – selecting a pair of paths from the set, Measure – measuring the signal propagation delay for each selected path, and Compute – calculating the binary PUF response based on the sign of the difference between the measured delays. This model is applicable to classical PUF types such as Arbiter PUFs and Ring Oscillator PUFs, as well as their modifications. Based on the proposed model, a CRO PUF was designed and implemented on Xilinx ZYNQ 7000 FPGA devices. Experiments were conducted on both simulated models and implemented circuits to evaluate the key timing parameters of CROs and the characteristics of CRO PUFs under various simulation scenarios and two types of component placement on FPGA dies. The results demonstrated that the majority of the signal propagation delay along the selected path is determined by the delay in FPGA configurable interconnects. Regardless of the type of component placement used, this leads to the realization of predominantly asymmetric paths. The asymmetry in paths negatively impacts one of the most critical characteristics of PUFs – intra-chip uniqueness. Low intra-chip uniqueness can impose significant limitations when implementing unclonable identification schemes. However, other PUF characteristics, such as uniformity, stability, reliability, and inter-chip uniqueness, exhibited acceptably high-performance levels.
Conclusion. The conducted parametric simulation of CRO PUF circuits demonstrated its effectiveness in evaluating key PUF characteristics, such as uniformity and intra-chip uniqueness. This approach can be utilized by developers for rapid assessment of circuit quality without requiring physical implementation. Achieving acceptable inter-chip uniqueness values necessitates the development of new circuit design solutions that enable the generation of multiple symmetric paths on FPGA devices. Additionally, the measured periods of CRO circuits clearly demonstrate their uniqueness, both when implemented on the same chip and across different chips. This serves as a foundation for exploring new methods and algorithms for calculating unique PUF responses.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.