强物理不可克隆函数的攻防检研究

Physical Unclonable Function (PUF) has wide application prospect in information security field. The ultimate objective of this project is to achieve secure Strong PUF (SPUF) resisting machine learning attacks. SPUF has severe challenges in attack, protection, and test: (1) How to sufficiently attack non-linear SPUFs; (2) How to resist machine learning attacks; (3) How to precisely diagnose SPUFs. This project will explore: (1) Heuristic fitting and convolutional neural network based SPUF attack methods, attacking at least 10 novel SPUFs; (2) Asymmetric RO and random number based SPUF protection designs, making the probability of correctly predicting one response bit be close to the random guess value 50%; (3) Fault-free response statistical property based SPUF fault diagnosis method, achieving ≥99% diagnostic accuracy and ≥0.99 diagnostic resolution (ideal value = 1) for classic fault types. Finally, a prototype of SPUF attack, protection, and test will be implemented. In this project, critical techniques, innovation methods, and core intellectual properties will be proposed for SPUF attack, protection, and test, and further improve its researches and applications.

物理不可克隆函数在信息安全领域具有广阔的应用前景。本项目旨在实现抗机器学习的强物理不可克隆函数(SPUF)。针对SPUF在攻、防、检三个方面的严峻挑战：（1）如何充分攻击非线性SPUF；（2）如何有效抵抗机器学习；（3）如何精确诊断SPUF。拟重点研究：（1）基于启发式拟合与卷积神经网络的SPUF攻击方法，攻击至少10种新型SPUF；（2）利用非对称RO与随机数的SPUF防护设计，使正确预测单个响应比特的概率接近随机猜测值50%；（3）基于正确响应统计特性的SPUF故障诊断方法，对典型故障类型的诊断精度≥99%、分辨率平均≥0.99(理想值1)。最终，搭建SPUF攻防检原型系统。本项目将为SPUF的攻、防、检提供关键技术与创新方法，形成核心知识产权，推动SPUF的研究和应用。

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function, PUF)是一种新型硬件安全模块，不仅拥有密钥功能，又具有生产制造前难以预测、生产制造时难以控制、生产制造后难以克隆等独特优势，在信息安全领域具有广阔的应用前景。本项目围绕PUF的攻、防、检开展研究，发表论文20余篇，其中一些重要创新成果包括：(1) 响应分布可调的仲裁器PUF设计，包括激励控制的路径段、调整响应分布的路径段以及校正响应的路径段三部分，既能够保障设计的安全性与可靠性，又可以被应用于不用的场景；(2) 基于启发式算法的PUF测试方法，将进化策略与模拟退火进行结合，通过随机猜测未知数的值来初始化参数，接着通过迭代模拟退火来操作单个突变体，当迭代次数超过一定量时，会激活参数调整部分进行参数优化；(3) 面向PUF的测试向量生成方法，解决PUF没有唯一的无故障响应而无法使用传统故障诊断方法的问题，利用统计黄金模型完成对PUF故障的测试与诊断；(4) 探索了PUF在扫描链数据保护、神经网络加速器模型参数IP保护、用户密码数据保护中的应用，利用PUF的独一无二性，提供了与芯片紧绑定的数据保护方法。最终基于上述研究成果，构建了PUF攻防检平台，推动硬件安全乃至信息安全领域的发展。