摘 要： 針對已提出的環形振蕩器物理不可克隆函數(Ring Oscillator Physical Unclonable Functions)輸出位數少和魯棒性不足的缺點,提出了由多輸出環振蕩器和動態配置處理模塊組成的動態可配置多輸出RO PUF。多路輸出環振蕩器用于提高芯片資源利用率和增加輸出位數。動態配置處理模塊根據工作環境的變化動態調整振蕩器結構,從而增強系統的魯棒性和可靠性。實驗結果表明,相比傳統RO PUF和可配置RO PUF, 動態可配置多輸出RO PUF展現出更高的片間漢明距離和更低的片內漢明距離，可進一步提取芯片ID的精度。

0 引言

隨著計算機技術和集成電路的飛速發展和廣泛應用，芯片信息安全越來越受重視。而環形振蕩器物理不可克隆函數(RO PUF)在信息安全領域作為一項非常有潛力的技術，在芯片信息安全領域備受關注[1]。傳統RO PUF通過比較放置在同一芯片不同位置的一對環形振蕩器的頻率來生成輸出0或1。由于隨機的工藝偏差,輸出位將因芯片的不同而變得無法預測[2]。因此，基于傳統RO PUF的可配置的RO PUF被提出來。在可配置RO PUF中, 輸出位通過最大頻率差的配置向量生成[3]，從而可以降低工藝偏差帶來的影響。

然而，不論是傳統RO PUF還是可配置RO PUF都存在一個相同的不足：通過比較兩個環形振蕩器頻率的不同只能產生一位輸出。為了產生更多的輸出位，只能不斷增加振蕩器數量。雖然頻率比較的方法可以提高輸出位數，但是有限的芯片資源限制了可配置RO PUF的實際運用[4]。

根據以上不足，本文提出了動態可配置多路輸出RO PUF。不僅從根本上增加了輸出位數，而且可以根據實際需求確定輸出位的數量。同時，振蕩器的結構隨工作條件的變化而相應的改變，因此可以提高芯片的魯棒性和安全性。

1 多輸出環形振蕩器

多輸出環形振蕩器由反相器、開關單元和路徑分配器組成，路徑分配器是動態可配置多路輸出RO PUF的基礎。多輸出結構的環形振蕩器如圖1所示。

圖1中所有開關單元都與仲裁器PUF[5]中的開關單元一致。如果在開關S[0..2]配置位是‘1’，信號將在對應的開關交叉，否則信號將平行通過。圖1中由3個開關單元組成的振蕩器共有8(23=8)種信號傳輸模式。路徑分配器用以確保信號不會在振蕩器上下路徑之間交叉傳播，以保證每條路徑的穩定振蕩。信號從路徑分配器的輸出端開始傳輸，通過反相器和開關單元，最后回到路徑分配器的輸入引腳。路徑分配器根據每個信號的配置向量決定信號的流向，確保信號重新開始流動時，會沿著之前的路徑流動。不同的配置向量將導致不同的信號傳輸模式。不同的傳輸模式導致不同傳輸延遲的線路和門電路，從而產生不同的振蕩頻率。

相比傳統RO PUF中和可配置RO PUF振蕩器只能產生一位輸出，該振蕩器只占一個LAB卻可以產生2個輸出位。除此之外，通過調整開關單元的通斷和路徑分配器的信號分配路徑，該振蕩器還可以產生更多的輸出位。

圖2表示一對多輸出環形振蕩器和4個輸出位(RO1-1、RO1-2、RO2-1、RO2-2)。RO1和RO2的配置向量相同。通過邏輯鎖存器，RO1-和 RO2-1具有相同的路徑。所以RO1-和RO2-1(或RO1-2and RO2-2)唯一的區別就是物理工藝偏差。因此，RO1-1和 RO2-1(或RO1-2and RO2-2)頻率比較結果可以作為一個輸出位。

在Xilinx FPGA中進行實驗，如圖3所示，實驗結果表明RO1-1和RO1-2在不同配置向量下的輸出頻率。

實驗結果表明，RO1-1和RO1-2的輸出頻率確實存在差異。此外，隨著配置向量的不同，它們的輸出頻率也存在差異。因此，驗證了多輸出振蕩器結構確實能有效產生多個輸出位。

RO1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差在不同配置向量下的實驗結果如圖4所示。可以看出，RO1-1和RO2-1的頻率差和RO1-2和RO2-2的頻率差是不相關的。因此，它們的輸出不相互影響，可以看作兩個獨立輸出位。