СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И ВЫБОР АППАРАТНЫХ РЕШЕНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФИЗИЧЕСКИ НЕКЛОНИРУЕМЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ КОНТРАФАКТНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАЩИЩЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Сергей Г. Мосин

Аннотация


Контрафактное производство интегральных схем (ИС) и электронно-компонентной базы (ЭКБ) непосредственно нарушает доверенность электронной аппаратуры, использующей их в своем составе. Устойчивость и надежность подходов к противодействию контрактному производству ИС и обеспечению защищенности требуют применение случайных/псевдослучайных последовательностей с уникальными характеристиками. Синтез и внутрисхемная реализация физически неклонируемой функции (PUF – Physically Unclonable Function) – перспективное и востребованное на практике направление формирования псевдослучайных последовательностей, уникальных для произведенных микросхем. Объектом проведенного исследования выступают полупроводниковые PUF. Проблема – увеличение контрафактного производства ИС, что определяет рост угроз доверенности электронных систем, используемых, в том числе в критической инфраструктуре. Предмет – методы внутрисхемного синтеза уникальных последовательностей для идентификации ИС, аутентификации действительного изготовителя компонента, аппаратной обфускации и других подходов к противодействию контрафактному производству интегральных схем. Цель предложенной работы – систематизация аппаратных решений реализации полупроводниковых PUF и методологическое сопровождение оценки их эффективности и выбора для практического применения. Приведена классификация физически неклонируемых функций и предъявляемые к ним требования. Рассмотрены подходы к реализации полупроводниковых PUF и источники уникальности формируемых ответов на прикладываемые запросы. Выделены три группы полупроводниковых PUF – на основе задержек распространения сигналов, на основе элементов памяти и на основе реконфигурирования, – для которых представлены варианты реализации схем PUF. Определены метрики количественной оценки эффективности полупроводниковых PUF. Предложен подход к качественной оценке структурных решений PUF для сокращения исходного множества возможных вариантов схем для включения в оригинальный проект. В заключении отмечено, что формирование и использование библиотеки структурных решений PUF в рамках маршрута автоматизированного проектирования для обеспечения доверенности (DfTr – Design-for-Trust) способствует системному противодействию контрафактному производству и обеспечению защищенности интегральных схем и использующих их устройств.


Ключевые слова


физически неклонируемые функции, полупроводниковые физически неклонируемые функции, метрики оценки эффективности, качественный анализ, доверенные интегральные схемы, проектирование для обеспечения доверенности

Полный текст:

PDF

Литература


1. Никифоров А., Телец В., Кессаринский Л., Левин Р., Бойченко Д. Концепция доверенной ЭКБ микроэлектроники – новой категории изделий электронной компонентной базы для регулируемых рынков критической информационной инфраструктуры. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2025, № 7 (248), с. 56-74. DOI: http://dx.doi.org/10.22184/1992-4178.2025.249.7.56.74.
Nikiforov A., Telets V., Kessarinsky L., Levin R., Boychenko D. The concept of trusted electronic component base as a new category of electronic component base products for regulated markets of critical information infrastructure. Electronics: Science, Technology, Business. 2025, no. 7 (248), pp. 56-74. DOI: http://dx.doi.org/10.22184/1992-4178.2025.249.7.56.74 (in Russian).
2. Мосин, С., Телец, В. (2026). Подходы к противодействию контрафактному производству аналоговых интегральных схем. Безопасность информационных технологий, 33(1), 1-15. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.1.01.
Mosin, S., Telets, V. (2026). Approaches to countering counterfeit production of analog integrated circuits. IT Security (Russia), 33(1), 1-15. DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.1.01 (in Russian).
3. Fedorova M., Petrova E., Larin A., Sandomirskii M., Ermina A., Pavlov S., Zharova Yu., Permyakov D., Yaroshenko V., Zuev D. Multilevel physical unclonable function based on silver nanostructures randomly integrated into the crystalline silicon wafer. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(6):785-790. DOI: https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-6-785-790.
4. Ланцов В.Н., Мосин С.Г. Современные подходы к проектированию и тестированию интегральных микросхем: монография. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. – 285 с. ISBN 978-5-9984-0120-6.
Lancov, V.N., Mosin S.G. Approaches to the Design and Testing of Integrated Circuits: monograph. Vladimir: Izd-vo Vladim. gos. un-ta, 2010. 285 p. ISBN 978-5-9984-0120-6 (in Russian).
5. Третьяков С.Д. Современные технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие. Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2016. – 102 с.
Tretyakov S.D. Modern Technologies for the Production of Radio-Electronic Equipment: textbook. Ucheb. posobie St. Petersburg: Universitet ITMO, 2016. 102 p. (in Russian).
6. Котов Д.А., Родионов Ю.А. Базовые технологические процессы изготовления интегральных схем и микроэлектромеханических систем. Лаб. Практикум: учеб.-метод. пособие. Минск: БГУИР, 2011. – 44 с.
Kotov D.A., Rodionov Yu.A. Basic Technological Processes for Manufacturing Integrated Circuits and Microelectromechanical Systems: lab. workshop: teaching aid. Minsk, BGUIR, 2011. 44 p. (in Russian).
7. Bossuet L., Ngo X. T., Cherif Z. and Fischer V. A PUF based on a transient effect ring oscillator and insensitive to locking phenomenon. IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing, 2014, v. 2, no. 1, pp. 30-36. DOI: https://doi.org/ 10.1109/TETC.2013.2287182.
8. Vicuña K., Vatalaro M., Amiel F., Crupi F. and Trojman L. Highly Stable Reconfigurable TERO PUF Architecture for Hardware Security Applications. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2025, v. 33, no. 10, p. 2873-2882. DOI: https://doi.org/10.1109/TVLSI.2025.3587502.
9. McGrath T. et al. A PUF taxonomy. Applied physics reviews, 2019, v. 6, no. 1, Paper ID: 011303. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5079407
10. Yamamoto D., Sakiyama K., Iwamoto M., Ohta K., Takenaka M., Itoh K. Variety enhancement of PUF responses using the locations of random outputting RS latches, Journal of Cryptographic Engineering, 2013, v. 3, no. 4, p. 197-211. DOI: https://doi.org/10.1007/s13389-012-0044-0
11. Habib B., Kaps J., Gaj K. Efficient SR-Latch PUF. Proc. of the Applied Reconfigurable Computing. ARC 2015. Lecture Notes in Computer Science, 2015, v. 9040, pp. 205–216. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-16214-0_17.
12. Anandakumar N. N., Hashmi M. S., Sanadhya S. K. Compact Implementations of FPGA-based PUFs with Enhanced Performance. Proc. of 30th International Conference on VLSI Design and 16th International Conference on Embedded Systems (VLSID), 2017, pp. 161-166. DOI: https://doi.org/10.1109/VLSID.2017.7.
13. Maiti, A., Schaumont, P. Improved Ring Oscillator PUF: An FPGA-friendly Secure Primitive. Journal of Cryptology, 2011. v. 24, pp. 375-397. DOI: https://doi.org/10.1007/s00145-010-9088-4.
14. Gao M., Lai K., Qu G. A highly flexible ring oscillator PUF. Proc. 51st ACM/EDAC/IEEE Design Autom. Conf. (DAC), Jun. 2014, pp. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1145/2593069.2593072.
15. Cui Y., Wang C., Liu W., Yu Y., O'Neill M., Lombardi F. Low-cost configurable ring oscillator PUF with improved uniqueness. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Montreal, QC, Canada, 2016, pp. 558-561. DOI: https://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7527301.
16. Chen Q., Csaba G., Lugli P., Schlichtmann U., Rührmair U. The Bistable Ring PUF: A new architecture for strong Physical Unclonable Functionsю. Proc. IEEE International Symposium on Hardware-Oriented Security and Trust, San Diego, CA, USA, 2011, pp. 134-141. DOI: https://doi.org/10.1109/HST.2011.5955011.
17. Иванюк, А., Трубач, К. (2025). Реализация симметричных путей физически неклонируемой функции конфигурируемого кольцевого осциллятора на FPGA. Безопасность информационных технологий, 32(4), 37-51. DOI: https://doi.org/10.26583/bit.2025.4.03.
Ivaniuk, A., Trubach, K. (2025). Implementation of configurable ring oscillator PUF with symmetrical paths on FPGA. IT Security (Russia), 32(4), 37-51. DOI: https://doi.org/10.26583/bit.2025.4.03 (in Russian).
18. Bendary A., Barbosa W.A.S., Pomerance A., Koksal C.E. Evaluating the Unpredictability of Multi-Bit Strong PUF Classes. Journal of Information Security and Applications, 2025, v. 94, Paper ID 104234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jisa.2025.104234.
19. Kumar N., Nehal A., Vikram Singh A., Kandpal K., Goswami M. Efficient, reliable, and secure PUF architecture with temperature invariance and ML attack resilience. Integration, 2026, v. 106, Paper ID 102538. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vlsi.2025.102538.
20. Liu W., Wang R., Qi X., Jiang L. and Jing J. Multiclass Classification-Based Side-Channel Hybrid Attacks on Strong PUFs. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2022, v. 17, pp. 92-937. DOI: https://doi.org/10.1109/TIFS.2022.3152393.
21. Casado-Galán A., Sánchez-Solano S., Tena-Sánchez E., Rojas-Muñoz L.F., Potestad-Ordóñez F.E., Martínez-Rodríguezet M.C. Analysis of EM Side-Channel Leakage on an RO-PUF and Proposed Countermeasures. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing (Early Access), 2025, pp. 1-13. DOI: https://doi.org/10.1109/TDSC.2025.3648516.
22. Li Y., Shen J., Liu W., Zou W. A Survey on Side-Channel Attacks of Strong PUF. Artificial Intelligence and Security, Lecture Notes in Computer Science, 2020, v. 12240, pp. 74-85. Springer, Cham. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-57881-7_7.
23. Mall P., Amin R., Das A. K., Leung M. T. and Choo K. -K. R. PUF-Based Authentication and Key Agreement Protocols for IoT, WSNs, and Smart Grids: A Comprehensive Survey. IEEE Internet of Things Journal, 2022, v. 9, no. 11, pp. 8205-8228. DOI: https://doi.org/10.1109/JIOT.2022.3142084.
24. Aparicio-Téllez R., Garcia-Bosque M., Díez-Señorans G. and Celma S. Novel Machine Learning-Resistant RO-Based PUF Optimized for IoT Device Authentication. IEEE Access, 2025, v. 13, pp. 46147-46160. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3550677.
25. Ţiplea F. L. and Hristea C. PUF Protected Variables: A Solution to RFID Security and Privacy Under Corruption with Temporary State Disclosure. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2021, v. 16, pp. 999-1013. DOI: https://doi.org/10.1109/TIFS.2020.3027147.
26. Gope P., Wang Y., Li Z. and Sikdar B. QR-PUF: Design and Implementation of a RFID-Based Secure Inpatient Management System Using XOR-Arbiter-PUF and QR-Code. IEEE Transactions on Network Science and Engineering, 2023, v. 10, no. 5, pp. 2637-2650. DOI: https://doi.org/10.1109/TNSE.2022.3186478.
27. Martínez-Rodríguez M.C., Rojas-Muñoz L.F., Camacho-Ruiz E., Sánchez-Solano S., Brox P. Efficient RO-PUF for Generation of Identifiers and Keys in Resource-Constrained Embedded Systems. Cryptography, 2022, v. 6, no. 4, Paper ID 51. DOI: https://doi.org/10.3390/cryptography6040051.
28. Kia A., Storey A., Imtiaz M. Advanced Hardware Security on Embedded Processors: A 2026 Systematic Review. Electronics, 2026, v. 15, no. 5, Paper ID 1135. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics15051135.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.3.11

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.