在一个严重依赖电子产品的日益互联的天下中，安全性至关主要。当代电子产品险些同等地依赖密码学作为保护电子数据的紧张方法。然而，新兴的硬件安全研究领域已经证明，我们所知道的密码学并不是那么安全。
为此，物理不可克隆功能 (PUF) 已成为一种硬件安全技能，可供应从改进的密码术到 IC 防伪的所有功能。
在本文中，我们将先容 PUF 的观点、它们的事情事理以及它们如何保护数据。
什么是PUF？
物理不可克隆功能 (PUF) 是一种硬件安全技能，它利用固有的设备变革来对给定的输入产生不可克隆的唯一设备相应。在更高的层面上，PUF 可以被认为类似于人类的生物识别——它们是每一块硅的固有和唯一标识符。
由于硅加工技能的不完善，所生产的每一块IC在物理上都是不同的。在不同的集成电路之间，这些工艺变革表现为不同的路径延迟、晶体管阈值电压、电压增益和无数其他的办法。
主要的是，虽然这些变革在不同的集成电路之间可能是随机的，但一旦知道，它们是确定的和可重复的。PUF利用IC行为的这种内在差异，为每个IC天生一个唯一的加密密钥。
图 1. 美信的 DS28S60 协处理器利用 PUF 天生加密密钥
与利用单个存储密钥的传统加密方法不同，PUF 通过实现质询-相应身份验证来事情。对付一个给定的PUF，一个特定的输入，被称为 "质询"，将产生一个输出相应，（质询应答认证challenge-response）该相应对特定的PUF是唯一的，因此是不可克隆的。
在制造时，PUF 将接管一系列不同的“质询”并记录其相应。通过此练习，设计职员理解每个 PUF 对给定质询的独特相应，并可以利用此信息来防止假造、创建和存储加密密钥以及许多其他安全功能。
PUF 示例
为了更好地解释PUF的事情事理，我们来看看DRAM PUF--一个利用DRAM工艺变革来天生加密密钥并供应设备认证的PUF。
一个标准的DRAM单元的事情事理是用一个单一的电容来保持作为二进制状态的存储电荷，以及一个掌握电荷进出电容的通断晶体管。由于器件的非空想性，如晶体管的亚阈值泄露，电容器上的电荷每每会随着韶光的推移而泄露，从而导致单元失落去状态。这意味着，代表 "1 "位值的完备充电的DRAM单元会随着韶光的推移不肯望地放电为 "0 "位值。
对付 PUF 而言，主要的是，每个单独的 DRAM 单元泄露率都受到单元制造过程变革的高度影响。
图 2. DRAM 单元中的电荷泄露因工艺变革而变革很大
为了应对这种情形，所有的DRAM单元都会实行定期刷新命令，重新施加电荷以 "刷新 "存储电容。另一方面，DRAM PUF 的事情事理是将刷新停息一段比平常更长的指定时间间隔，并查看单元如何因泄露而改变状态。
由于不同的单元以不同的速率泄露电荷，我们可以看到一些单元在一个韶光间隔内完备放电并改变状态，而其他的单元可能根本没有放电到足以切换状态。
图 3.验证者可以利用challenge-response对数据库来验证设备
在这种情形下，“质询”是对 DRAM 单元阵列断言的原始二进制值，而相应是该阵列在给定时间间隔后的值。这项技能可用于天生真正的随机数，以用于加密密钥的天生，也可用于设备识别，以进行防伪保护。在后一种运用中，认证器可以存储一个challenge-response对的数据库，并利用该知识来识别假冒设备与真实设备。
PUF的优点
利用PUF的上风是巨大的，这便是为什么该技能在硬件安全方面越来越受欢迎。
首先，PUF的一个最好的特点是，它是一种固有的非易失落性技能，但它并不实际存储任何密钥。在非易失落性存储器中存储密钥常日会使集成电路受到硬件攻击，使对手能够读取存储器内容。
相反，PUF根本不存储密钥。它根据须要天生密钥，作为对质询的相应，之后密钥会被瞬间抹去。总是有一把钥匙，但你永久无法看到它。纵然你试图 "创造它"，试图探测PUF也会大大影响其对质询的相应。总而言之，这使得钥匙的 "存储 "非常安全，不会受到攻击。
除此之外，PUF还得益于它是一个真正的硬件办理方案。就像真随机数发生器可以创造真正不可预测的比特序列一样，PUF可以通过利用自然界的真随机性来创造真正不可预测的IC标识符或加密密钥。这增加了安全性，由于钥匙不能根据一些确定的或准确定的过程来预测。
由于其多功能性，PUF 是硬件安全方面的绝佳选择——可用于随机密钥天生和存储、设备身份验证、随机数天生、防伪等等。
原文：
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/an-introduction-to-physically-unclonable-functions/
