Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem:
http://inaoe.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1009/2537| Temperature robust PUF in 65nm CMOS technology for authentication applications | |
| Joseph Herbert Mitchell Moreno | |
| Guillermo Espinosa Flores-Verdad | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Physical unclonable functions winner take all CMOS ring oscillator current mirror process variations memristor authentication hardware security | |
| En este trabajo se aprovecha el comportamiento eléctrico de las celdas CMOS ”winner take all” (WTA) para crear una nueva topología de función física inclonable (PUF) utilizando espejos y comparadores de corriente. La celda básica es realizada con espejos de corriente tipo cascodo de bajo voltaje y celdas WTA Sekkerkiran de alta ganancia. Estas celdas son capaces de seleccionar una neurona ganadora de acuerdo con las variaciones del proceso de fabricación. La celda se valida a nivel post layout utilizando Cadence Virtuoso con tecnología UMC de 65nm. La implementación del PUF da como resultado un consumo de energía de 5.670 pJ/b con una inestabilidad de bits nativa del 2.294% entre 1024 lecturas considerando variaciones de temperatura (-20◦C ∼ 120◦C) y una fluctuación del suministro voltaje de ±10% del voltaje de alimentación nominal. El rendimiento del PUF se cuantifica con métricas de unicidad, uniformidad y confiabilidad que arrojan resultados de 49.614%, 49.662% y 97.706%, respectivamente, entre 1000 instancias consideradas. Se obtiene un promedio de inter-HD=49.837% e intra-HD=1.570% asumiendo variaciones de temperatura y voltaje, la latencia de generación de claves criptográficas es de 73 ns, mientras que la verdadera aleatoriedad de esas claves se demuestra mediante pruebas NIST y la función de autocorrelación (ACF). Por otro lado, para superar el problema de la generación, almacenamiento y protección de claves secretas debido a los recursos limitados de la red de IoT, se propone la implementación de un protocolo de autenticación ligero implementado con memristores binarios y circuitos CMOS WTA. El almacenamiento estático de claves PUF se realiza mediante una matriz cruzada (crossbar) de memristores, donde las claves se guardan a través de valores instantáneos de memristancia como estados lógicos Ron o Rof f. La matriz cruzada realiza una operación XOR entre la entrada y los patrones almacenados en la matriz para validar las claves de entrada previamente guardadas. Con esta arquitectura, se aprovechan las propiedades computacionales de las matrices cruzadas memristivas para implementar un protocolo de autenticación ligero sin desperdiciar recursos en procesamiento activo para el registro, almacenamiento y verificación de claves criptográficas. In this work the electrical behaviour of CMOS winner take all (WTA) cells is exploited to create a novel topology for physical unclonable functions (PUF) using current mirrors and current comparators. The basic cell is based on low voltage cascode current mirrors and high-gain Sekkerkiran winner take all (WTA) cells. These cells are capable to select a winner neuron according to manufacture process variations. The cell is validated through performing post-layout simulation using Cadence Virtuoso tools with a 65nm UMC technology. The result of the implementation yields to a PUF energy consumption of 5.670pJ/b with native bit instability of 2.294% among 1024 readings considering temperature and voltage variations from (-20◦C ∼ 120◦C) and voltage variation of ±10% of the nominal value. The PUF performance is quantified with uniqueness, uniformity and reliability metrics yielding results of 49.614%, 49.662% and 97.706% respectively among 1000 considered instances. An average inter-HD=49.837%, and intra-HD=1.570% are obtained assuming temperature and voltage variations, the key generation latency is 73ns, while the true randomness of keys is proved by NIST and autocorrelation function (ACF) tests. On the other hand, to overcome the challenge of generating, storing, and protecting secret keys due to the limited resources of the IoT network, the implementation of a lightweight authentication protocol using binary memristors and CMOS WTA circuits is proposed. The static storage of PUF keys is achieved through a crossbar array of memristors, where keys are stored via instantaneous memristance values as logical states Ron or Rof f . The crossbar array performs an XOR operation between the input and the stored patterns in the array to validate previously stored input keys. With this architecture, the computational properties of memristive crossbar arrays are harnessed to implement a lightweight authentication protocol without wasting resources on active processing for registration, storage, and cryptographic key verification. | |
| Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. | |
| 2024-01 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Estudiantes Investigadores Público en general | |
| Mitchell Moreno, J. H., (2024), Temperature robust PUF in 65nm CMOS technology for authentication applications, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| ELECTRÓNICA | |
| Versión aceptada | |
| acceptedVersion - Versión aceptada | |
| Aparece en las colecciones: | Doctorado en Electrónica |
Cargar archivos:
| Fichero | Tamaño | Formato | |
|---|---|---|---|
| MITCHELLMJH_DE.pdf | 6.94 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |