Mehrwertige Physikalisch Unklonbare Funktionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Fischer; Professor Dr.-Ing. Maurits Ortmanns
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401330297

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war es, die mehrwertige Natur von Physikalisch Unklonbaren Funktionen (PUF) zu nutzen, um die extrahierte Entropie pro PUF-Einheit im Vergleich zum Stand der Technik zu erhöhen. Während dieses Projekts konnten wir die Robustheit von FPGA-basierten ROPUFs um 16.4% verbessern und ein großes Datenset an extrahierten Responses veröffentlichen. Basierend auf diesen Daten wurde eine Normalisierung und mehrwertige Symbolextraktion entworfen, indem die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in Intervalle unterteilt wurde, die jeweils ein Symbol repräsentieren. Dadurch konnte die extrahierte Entropie pro PUF-Zelle um den Faktor drei erhöht werden. Um den Einfluss von Temperaturschwankungen zu minimieren, untersuchten wir einen Korrekturansatz mit polynomialer Interpolation. Darüber hinaus konnten Fehlerkorrektur Helper Daten-Schemata vom binären auf den mehrwertigen Fall übertragen werden. Durch eine Variation der Coderate wird ein Kompromiss zwischen der Information, die als Schlüssel extrahiert werden kann, und der Fehlerrate (Zuverlässigkeit) ermöglicht. Auf dieser Grundlage wurde das Sicherheitsniveau für die verschiedenen Kodierungsverfahren untersucht und der Leakage auf Null reduziert. Durch die Anwendung von Soft-Decision-Algorithmen konnte die extrahierbare Information im Vergleich zur Fehlerrate weiter erhöht werden. Eine weitere Verbesserung durch signal shaping wird derzeit veröffentlicht. Eine modulare PUF-Codierkette wurde implementiert, um alle Verarbeitungsschritte auf einem System einfach auswerten zu können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Channel Models for Physical Unclonable Functions based on DRAM Retention Measurements”. XVI International Symposium Problems of Redundancy in Information and Control Systems (2019)
  Sven Müelich et al.
  
• “In-depth Analysis and Enhancements of RO-PUFs with a Partial Reconfiguration Framework on Xilinx Zynq-7000 SoC FPGAs”. 2019 IEEE International Symposium on Hardware Oriented Security and Trust (HOST). May 2019, pp. 238–247
  Andreas Herkle et al.
  
• “Modular PUF Coding Chain with High-Speed Reed-Muller Decoder”. In: 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). May 2019, pp. 1–5
  Holger Mandry et al.
  
• “Comparison of Measurement and Readout Strategies for RO-PUFs on Xilinx Zynq-7000 SoC FPGAs”. In: 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE. 2020, pp. 1–5
  Andreas Herkle et al.
  
• “Multi-Valued Physical Unclonable Functions based on Dynamic Random Access Memory”. In: The International Symposium on Memory Systems. 2020, pp. 126–136
  Sven Müelich et al.
  
• “Normalization and Multi-Valued Symbol Extraction From RO-PUFs for Enhanced Uniform Probability Distributions”. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs 67.12 (Dec. 2020), pp. 3372–3376
  Holger Mandry et al.
  
• “A Multilevel Coding Scheme for Multi-Valued Physical Unclonable Functions”. In: IEEE Transactions on Information Forensics and Security 16 (2021), pp. 3814–3827
  Sven Müelich et al.
  
• “Using Polynomial Interpolation for Reproducing Multi-Valued Responses of Physical Unclonable Functions on FPGAs”. In: 2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). May 2021, pp. 1–5
  Holger Mandry et al.
  
• “A New Helper Data Scheme for Soft-Decision Decoding of Binary Physical Unclonable Functions”. In: IEEE Access 10 (2022), pp. 12644–12653
  Robert F.H. Fischer and Sven Müelich