面向VLSI版权保护的PUF基础理论与实时检测技术研究

The PUF (Physical Unclonable Functions) technique for IP (intellectual property) protection of VLSI (Very Large Scale Integration) design is an emerging research field, which is still in its infancy of development. This project aims at solving the problems in the PUF technique for IP protection, such as weak security, high cost and difficulty in real-time watermark detection, etc. The theories on the design of integrated circuit and information hiding technology have laid the groundwork for this research. The property of the challenge-response pair of PUF in an integrated circuit being unclonable is employed by the project in studying and designing a robust PUF circuit framework. Meanwhile, the methods for the matching, reconfiguration and equivalent replacement of physical characteristic vectors will be presented. The research is concerning: 1) a study on PUF IP protection based on physical characteristic model, such as delay and frequency; 2) a study on public verifiable detection schemes with secret recovery; 3) The optimization model of PUF circuit based on SVM (Support Vector Machine) classification and Its safety evaluation performance Study. Both theoretically and practically, the project is of great significance for securing sound and rapid development of the VLSI industry.

超大规模集成电路中物理不可克隆函数电路版权保护技术是一个新兴的研究领域，目前仍然处于探索起步阶段。本课题以解决PUF电路版权保护技术中安全性较差、成本开销较高以及实时检测较困难等问题为目标，结合数字集成电路设计与信息隐藏处理技术等相关理论与方法，利用PUF电路结构中物理特征向量的激励-响应对具有不可克隆性的特点，研究和设计一种新型的鲁棒型PUF电路安全结构，并提出在数字集成电路中利用PUF技术的特点深入研究物理特征向量匹配、重构、压缩以及等价替换等隐藏理论方法。主要研究内容包括：1）基于时间延时和频率等物理特征模型的PUF电路版权保护方法研究；2）公开可验证的隐秘内容自恢复实时检测方法研究；3）基于SVM分类器的PUF电路优化模型与安全性能评测研究。本课题的研究对于推动集成电路半导体产业的健康高效发展具有重要的理论与现实意义。

随着数字芯核(IP)可重用技术在半导体领域中的广泛应用，芯核的盗版和非法复制等问题已变得日趋严重，这给广大设计者的芯核知识产权保护问题带来了巨大的挑战。PUF安全设计技术是目前公认的解决数据信息安全问题最好的方法之一。其主要优势在于高安全性密钥生成和低成本的设备认证，非常适合于资源严重受限的物联网（IoT）设备。数字集成电路PUF版权保护方法是一种从硬件IC电路的复杂物理系统中提取“秘密”信息的硬件电路知识产权保护技术，其主要是利用IC芯片制造上的一些随机差异特征，来对PUF电路的安全性和版权的唯一性进行有效的保护。当数字电子产品的版权发生侵权纠纷时，版权验证者可将PUF电路中特定的激励-响应对信息进行激活，并将激活后认证的标识信息回送给芯核电路设计的版权拥有者，以此来验证数字电子产品中芯核电路版权的合法性。本课题提出了两种新型的二阶多选仲裁器PUF电路结构和双PUF电路结构，这些新型PUF结构具有电路占用面积占用率少、随机性高以及稳定性高等特点，然后，在此电路结构的基础上，设计了两种基于双PUF电路结构的双向身份认证协议，该协议可以为低成本的RFID等IC设备提供实时认证操作，实现服务器端和标签端的双向认证，在PUF电路的认证过程中，该协议能够有效抵抗包括机器学习在内的多种非法恶意攻击，能够更好的适用于低成本硬件系统；然后，为了达到版权信息实时安全检测的目的，我们研究和设计了一种基于零知识证明协议中的最优置乱方案，通过零知识设计思路设计一种基于PUF的水印检测方法来实施电路检测保护，该方法在无需原始载体信息参与的情况下，解决了PUF电路在公开场所中实时取证困难等问题，能够在公共场合下能够抵御常规物理攻击的方法，从而有效地提高公开检测方法在PUF电路设计中的安全鲁棒性。