一种基于加 - 旋转 - 异或的 3.22-pJ/bit、3.5-MF2 抗建模攻击轻量级强物理不可克隆函数

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：A 3.22-pJ/bit, 3.5-MF2 Modeling-Attack-Resilient Lightweight Strong PUF Based on Add-Rotate-XOR

　　

摘要：

强物理不可克隆函数（PUF）为身份认证提供了指数级巨大的挑战–响应配对（CRP）空间。然而，传统的单比特响应设计需要反复评估才能组装出协议所需的响应长度，从而增加了通信、延迟和能量开销。支持更宽响应可以减少这一评估负担，但通常需要复杂的变换逻辑和较大的面积开销。本文提出了一种轻量级强PUF架构，支持128位CRP，与标准密码硬件接口兼容。该PUF利用基于加-旋转-异或（ARX）的迭代混合机制，将模加与进位传播、比特旋转以及逐轮异或扩散与熵注入相结合，从而实现了高扩散性、强非线性以及面积高效性。该设计在180纳米CMOS工艺下实现，流片原型占据面积为3.5 MF²，在可靠性表征的正常工作范围内，于0.8 V供电下实现了202 Mbps的实测吞吐量，能耗低至3.22 pJ/bit，比特误码率（BER）低于5×10^-7。统计评估包括NIST SP 800-22测试套件、NIST SP 800-90B评估以及额外的分析，均证实了128位响应具有高随机性和低比特间相关性，即使在存在相关性的格雷码挑战下亦然。基于4000万组CRP训练的建模攻击表明，预测准确率接近随机猜测水平，反映了挑战–响应映射的高非线性及其对受评估机器学习攻击的抵抗能力。这些结果表明，所提出的PUF为资源受限的物联网系统提供了一种高效且安全的认证方案。