Физически неклонируемые функции в аналоговых интегральных схемах
https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-3-83-105
EDN: QIOHGI
Аннотация
Цели. Целью работы является комплексный обзор аналоговых и пассивных физически неклонируемых функций (ФНФ), анализ уязвимостей к атакам на основе машинного обучения и разбор практических сценариев применения в современных интегральных схемах и устройствах интернета вещей.
Методы. Использованы методы количественной оценки различий реализаций ФНФ и признаков их формального описания, включая вычислимость, уникальность, реализуемость, сложность создания клонов, защиту от несанкционированного доступа.
Результаты. Показано, что аналоговые ФНФ относятся к классу «сильных» ФНФ, но требуют специальных мер для подавления влияния факторов внешней среды и старения. Приведены примеры, демонстрирующие близкую к идеальной уникальность (inter-HD1 ≈ 50%) при высокой стабильности (intra-HD2 < 1%) и рекордные энергетические показатели (единицы – десятки фДж/бит). Пассивные ФНФ характеризуются высокой стабильностью, но относятся к «слабым» ФНФ. Рассмотрены атаки на основе машинного обучения, показано, что конволюционные нейронные сети и многослойные перцептроны превосходят классические подходы. Средства защиты на уровне протокола, ограничивающие объем доступной злоумышленнику информации, позволяют избежать модификации архитектуры ФНФ.
Выводы. Аналоговые и пассивные ФНФ расширяют спектр средств аппаратной аутентификации и защиты
от подделок, особенно для маломощных и ресурсно-ограниченных устройств интернета вещей. Наиболее перспективны архитектуры с внутренней калибровкой и малыми накладными расходами по площади/потреблению, а также пассивные решения для задач однократной идентификации и контроля вмешательства. Остаются открытыми задачи стандартизации процедур чтения/оцифровки, повышения устойчивости к изменениям внешней среды и различным атакам, а также совмещения с коррекцией ошибок и постобработкой на кристалле. Для выбора архитектур ФНФ необходимо тщательное моделирование угроз и применение стратегий глубокой защиты с учетом будущих достижений машинного обучения.
Ключевые слова
Об авторах
Е. Ф. ПевцовРоссия
Певцов Евгений Филиппович, к.т.н., директор структурного подразделения «Центр проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем»
Scopus Author ID 6602652601, ResearcherID M-2709-2016
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Т. А. Деменкова
Россия
Деменкова Татьяна Александровна, к.т.н., доцент, кафедра вычислительной техники, Институт информационных технологий
Scopus Author ID 57192958412, ResearcherID AAB-3937-2020
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
М. И. Малето
Россия
Малето Михаил Иванович, к.т.н., ведущий инженер структурного подразделения «Центр проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем»
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
А. С. Сигов
Россия
Сигов Александр Сергеевич, академик Российской академии наук, д.ф.-м.н., профессор, президент
Scopus Author ID 35557510600, ResearcherID L-4103-2017
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Ю. А. Коротаев
Россия
Коротаев Юрий Александрович, аспирант, кафедра наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Н. Д. Евгеньев
Россия
Евгеньев Никита Давидович,студент, кафедра вычислительной техники, Институт информационных технологий
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Певцов Е.Ф., Деменкова Т.А., Коротаев Ю.А., Сигов А.С. Физически неклонируемые функции в цифровых интегральных схемах. Russian Technological Journal. 2026;14(2):80–102. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-2-80-102
2. Lofstrom K., Daasch R., Taylor D. IC identification circuit using device mismatch. In: Proceedings of the IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC 2000). February 7–9, 2000. San Francisco, CA, USA. Piscataway, NJ: IEEE; 2000. Р. 372–373. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2000.839821
3. Venkatesh A., Sanyal A. A machine learning resistant strong PUF using subthreshold voltage divider array in 65nm CMOS. In: Proceedings of the 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2019). May 26–29, 2019. Sapporo, Japan. Piscataway, NJ: IEEE; 2019. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ISCAS.2019.8702525
4. Mitchell-Moreno J.H., Espinosa Flores-Verdad G. A low bit instability CMOS PUF based on current mirrors and WTA cells. J. Electron. Test. 2023;39:611–620. https://doi.org/10.1007/s10836-023-06085-4
5. Jadhav V.D., Kalloor R., Poola L., Prabhakar T.V. Diode-PUF for intelligent electronic devices. In: Proceedings of the 16th International Conference on Communication Systems & Networks (COMSNETS 2024). January 2–6, 2024. Bengaluru, India. Piscataway, NJ: IEEE; 2024. P. 330–332. https://doi.org/10.1109/COMSNETS59351.2024.10427169
6. Kim N., Jeon S.-B., Jang B. Hardware-intrinsic physical unclonable functions by harnessing nonlinear conductance variation in oxide semiconductor-based diode. Nanomaterials (Basel). 2023;13(4):675. https://doi.org/10.3390/nano13040675
7. Takahashi Y., Koyasu H., Kumar S.D., et al. Quasi-adiabatic SRAM based silicon physical unclonable function. SN Comput. Sci. 2020;1:237. https://doi.org/10.1007/s42979-020-00253-5
8. Liu J., Takahashi Y. Design of low-power 6T adiabatic PUF circuit. In: Proceedings of the 2024 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2024). October 27–30, 2024. Taipei, Taiwan. Piscataway, NJ: IEEE; 2024. P. 599–603. https://doi.org/10.1109/APCCAS62602.2024.10808318
9. Nagata S., Takahashi Y. A design of PUF circuit using adiabatic logic. In: Proceedings of the 2024 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2024). October 27–30, 2024. Taipei, Taiwan. Piscataway, NJ: IEEE; 2024. P. 595–598. https://doi.org/10.1109/APCCAS62602.2024.10808900
10. Helinski R., Acharyya D., Plusquellic J. A physical unclonable function defined using power distribution system equivalent resistance variations. In: Proceedings of the 46th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC 2009). July 26–31, 2009. San Francisco, CA, USA. New York: ACM; 2009. P. 676–681. https://doi.org/10.1145/1629911.1630089
11. Jeon D., Baek J.H., Kim Y.-D., Lee J., Kim D.K., Choi B.-D. A physical unclonable function with bit error rate <2.3 × 10−8 based on contact formation probability without error correction code. IEEE J. Solid-State Circuits. 2020;55(3):805–816. https://doi.org/10.1109/JSSC.2019.2951415
12. Csaba G., Ju X., Chen Q., Porod W., Schmidhuber J., Schlichtmann U., Lugli P., Rührmair U. On-chip electric waves: an analog circuit approach to physical uncloneable functions [preprint]. IACR Cryptology ePrint Archive. 2009;2009/246.
13. Tuyls P., Schrijen G-J., Škorić B., van Geloven J., Verhaegh N., Wolters R. Read-proof hardware from protective coatings. In: Goubin L., Matsui M. (Eds.). Cryptographic Hardware and Embedded Systems. CHES 2006, Yokohama, Japan, October 10–13, 2006. Book Series: Lecture Notes in Computer Science. Berlin: Springer; 2006. V. 4249. P. 369–383. https://doi.org/10.1007/11894063_29
14. Skoric B., Maubach S., Kevenaar T., Tuyls P. Information-theoretic analysis of coating PUFs [preprint]. IACR Cryptology ePrint Archive. 2006;2006/101.
15. Aysu A., Farhady Ghalaty N., Franklin Z., Yali M., Schaumont P. Digital fingerprints for low-cost platforms using MEMS sensors. In: Proceedings of the Workshop on Embedded Systems Security (WESS ’13). September 29, 2013. Montreal, QC, Canada. New York: ACM; 2013. Article 2. P. 1–6. https://doi.org/10.1145/2527317.2527319
16. Yu M.D., M’Raihi D., Sowell R., Devadas S. Lightweight and secure PUF key storage using limits of machine learning. In: Preneel B., Takagi T. (Eds.). Cryptographic Hardware and Embedded Systems. CHES 2011. Book Series: Lecture Notes in Computer Science. Berlin Heidelberg: Springer; 2011. V. 6917. P. 358–373. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23951-9_24
17. Saadvikaa N., Saketi K.J., Gopishetti A., et al. PUF modeling attacks using deep learning and machine learning algorithms. Eng. Proceedings. 2023;56(1):187. https://doi.org/10.3390/ASEC2023-15948
18. Dubrova E., Näslund O., Degen B., et al. CRC-PUF: A machine learning attack resistant lightweight PUF construction. In: 2019 IEEE European symposium on security and privacy workshops (EuroS&PW). IEEE; 2019. P. 264–271. https://doi.org/10.1109/EuroSPW.2019.00036
19. Tripathy S., Rai V.K., Mathew J. MARPUF: physical unclonable function with improved machine learning attack resistance. IET Circuits, Devices & Systems. 2021;15(5):465–474. https://doi.org/10.1049/cds2.12042
20. Ebrahimabadi M., Lalouani W., Younis M., et al. Countering PUF modeling attacks through adversarial machine learning. In: 2021 IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI (ISVLSI). IEEE. 2021. P. 356–361. https://doi.org/10.1109/ISVLSI51109.2021.00071
21. Khalfaoui S., Leneutre J., Villard A., et al. Security analysis of machine learning-based PUF enrollment protocols: A review. Sensors. 2021;21(24):8415. https://doi.org/10.3390/s21248415
22. Strieder E., Frisch C., Pehl M. Machine learning of physical unclonable functions using helper data: Revealing a pitfall in the fuzzy commitment scheme. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2021;2:1–36. https://doi.org/10.46586/tches.v2021.i2.1-36
23. Ali-Pour A., Afghah F., Hely D., et al. Secure PUF-based authentication and key exchange protocol using machine learning. In: 2022 IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI (ISVLSI). IEEE. 2022. P. 386–389. https://doi.org/10.1109/ISVLSI54635.2022.00086
24. Yadav A., Kumar S., Singh J. A review of physical unclonable functions (PUFs) and its applications in IoT environment. In: Hu Y.C., Tiwari S., Trivedi M.C., Mishra K.K. (Eds.). Ambient Communications and Computer Systems. Book Series: Lecture Notes in Networks and Systems. Singapore: Springer; 2022. V. 356. P. 1–3. https://doi.org/10.1007/978-981-16-7952-0_1
25. Gao Y., Al-Sarawi S.F., Abbott D. Physical unclonable functions. Nat. Electron. 2020;3(2):81–91. https://doi.org/10.1038/s41928-020-0372-5
26. Wisiol N., Mühl C., Pirnay N., et al. Splitting the interpose PUF: A novel modeling attack strategy. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems. 2020;3:97–120. https://doi.org/10.13154/tches.v2020.i3.97-120
27. Arapinis M., Delavar M., Doosti M., et al. Quantum physical unclonable functions: Possibilities and impossibilities. Quantum. 2021;5:475. https://doi.org/10.22331/q-2021-06-15-475
28. Kayaci N., Ozdemir R., Kalay M., et al. Organic light‐emitting physically unclonable functions. Adv. Funct. Mater. 2022;32(14):2108675. https://doi.org/10.1002/adfm.202108675
29. Awano H., Iizuka T., Ikeda M. PUFNet: A deep neural network based modeling attack for physically unclonable function. In: 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE. 2019. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ISCAS.2019.8702431
30. Idriss T.A., Idriss H.A., Bayoumi M.A. A lightweight PUF-based authentication protocol using secret pattern recognition for constrained IoT devices. IEEE Access. 2021;9:80546–80558. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3084903
31. Shah A., Pandya H., Soni M., Karimov A., Maaliw R.R., Keshta I. PUF-based lightweight authentication protocol for IoT devices. In: Balas V.E., Semwal V.B., Khandare A. (Eds.). Intelligent Computing and Networking. IC-ICN 2023. Book Series: Lecture Notes in Networks and Systems. Singapore: Springer; 2023. V. 699. P. 401–412. https://doi.org/10.1007/978-981-99-3177-4_29
32. Alladi T., Deo M., Chamola V., Sikdar B., Chao H.C. SecAuthUAV: a novel authentication scheme for UAV-ground station and UAV-UAV communication. IEEE Trans. Veh. Technol. 2020;69(12):15068–15077. https://doi.org/10.1109/TVT.2020.3033060
33. Bansal G., Sikdar B. S-MAPS: scalable mutual authentication protocol for dynamic UAV swarms. IEEE Trans. Veh. Technol. 2021;70(11):12088–12100. https://doi.org/10.1109/TVT.2021.3116163
34. Yanambaka V.P., Mohanty S.P., Kougianos E., Puthal D. PMsec: physical unclonable function-based robust and lightweight authentication in the Internet of Medical Things. IEEE Trans. Consum. Electron. 2019;65(3):388–397. https://doi.org/10.1109/TCE.2019.2926192
35. Jiang Q., Zhang X., Zhang N., et al. Three-factor authentication protocol using physical unclonable function for IoV. Comput. Commun. 2021;173:45–55. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2021.03.022
36. Mershad K., Cheikhrouhou O., Ismail L. Proof of accumulated trust: a new consensus protocol for the security of the IoV. Veh. Commun. 2021;32:100392. https://doi.org/10.1016/j.vehcom.2021.100392
37. Kaveh M., Aghapour S., Martín D., Mosavi M.R. A secure lightweight signcryption scheme for smart grid communications using reliable physically unclonable function. In: 2020 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering & 2020 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe). June 9–12, 2020. Madrid, Spain. Piscataway. NJ: IEEE; 2020. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/EEEIC/ICPSEurope49358.2020.9160596
38. Cao Y.-N., Wang Y., Ding Y., Zheng H., Guan Z., Wang H. A PUF-based lightweight authenticated metering data collection scheme with privacy protection in smart grid. In: 2021 IEEE International Conference on Parallel & Distributed Processing with Applications, Big Data & Cloud Computing, Sustainable Computing & Communications, Social Computing & Networking (ISPA/BDCloud/SocialCom/SustainCom). August 30 – September 3, 2021. New York, USA. Piscataway, NJ: IEEE; 2021. P. 876–883. https://doi.org/10.1109/ISPA-BDCloud-SocialCom-SustainCom52081.2021.00124
39. Maqsooq B., Qadri S., Shamshad S., Ayub M.F., Mahmood K., Kumar N. An identity-based authentication protocol for smart grid environment using physical unclonable function. IEEE Trans. Smart Grid. 2021;12(5):4426–4434. https://doi.org/10.1109/TSG.2021.3072244
40. Zerrouki F., Ouchani S., Bouarfa H. PUF-based mutual authentication and session key establishment protocol for IoT devices. J. Ambient Intell. Human. Comput. 2023;14:12575–12593. https://doi.org/10.1007/s12652-022-04321-x
41. Müelich S., Bossert M. A New Error Correction Scheme for Physical unclonable Functions. arXiv. arXiv:1611.01960 [cs.CR]. 2016. https://doi.org/10.48550/arXiv.1611.01960
42. Shamsoshoara A., Korenda A.R., Afghah F., Zeadally S. A Survey on Hardware-Based Security Mechanisms for Internet of Things. arXiv. arXiv:1907.12525 [cs.CR]. 2019. https://doi.org/10.48550/arXiv.1907.12525
43. Maes R., Verbauwhede I. Physically Unclonable Functions: A Study on the State of the Art and Future Research Directions. In: Sadeghi A.-R., Naccache D. Towards Hardware-Intrinsic Security: Foundations and Practice. Book series: Information Security and Cryptography. Berlin: Springer; 2010. P. 3–37. https://doi.org/10.1007/978-3-642-14452-3_1
44. Dodis Y., Ostrovsky R., Reyzin L., Smith A. Fuzzy extractors: how to generate strong keys from biometrics and other noisy data. SIAM J. Comput. 2008;38(1):97–139. https://doi.org/10.1137/060651380
45. Muthammal R., Sindhuja N. VLSI architecture of turbo codes for dedicated short-range communication. Int. J. Eng. Res. Online. 2015;3(5):412–416. URL: https://www.researchgate.net/publication/321669464_VLSI_Architecture_of_Turbo_Codes-IP_Secure_With_PUF_for_DSRC_systems. Дата обращения 19.07.2025. / Accessed July 19, 2025.
46. Wong C.-W., Wu M. Counterfeit detection using paper PUF and mobile cameras. In: Proceedings of the IEEE International Workshop on Information Forensics and Security (WIFS 2015). November 16–19, 2015. Rome, Italy. Piscataway, NJ: IEEE; 2015. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/WIFS.2015.7368579
47. Zheng J., Potkonjak M. A digital PUF-based IP protection architecture for network embedded systems. In: Proceedings of the Tenth ACM/IEEE Symposium on Architectures for Networking and Communications Systems (ANCS’14). 2014. P. 255–256. https://doi.org/10.1145/2658260.2661776
48. Zhang J., Lin Y., Lyu Y., Qu G. A PUF-FSM binding scheme for FPGA IP protection and pay-per-device licensing. IEEE Trans. Inf. Forensics Secur. 2015;10(6):1137–1150. https://doi.org/10.1109/TIFS.2015.2400413
49. Guo Q., Gong Y., Hu Y., Li X.-W. PUF-based pay-per-device scheme for IP protection of CNN model. In: 2018 IEEE Asian Test Symposium (ATS 2018). December 10–13, 2018. Hefei, China. Piscataway, NJ: IEEE; 2018. P. 115–120. https://doi.org/10.1109/ATS.2018.00032
50. Kalanadhabhatta S., Kumar D., Anumandla K.K., Reddy A., Acharyya A. PUF-based secure chaotic random number generator design methodology. IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst. 2020;28(9):1994–2004. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2020.2979269
51. Kaya T. A true random number generator based on a Chua and RO-PUF: design, implementation and statistical analysis. Analog Integr. Circ. Sig. Process. 2020;102:577–588. https://doi.org/10.1007/s10470-019-01474-2
52. Calhoun J., Minwalla C., Helmich C., Saqib F., Che W., Plusquellic J. Physical Unclonable Function (PUF)-based e-cash transaction protocol (PUF-Cash). Cryptography. 2019;3(3):18. https://doi.org/10.3390/CRYPTOGRAPHY3030018
53. ZhangY., QinY., FengD., YangB., WangW. An efficient Trustzone-based in-application isolation schema for mobile authenticators. In: Lin X., Ghorbani A., Ren K., Zhu S., Zhang A. (Eds.). Security and Privacy in Communication Networks. SecureComm 2017. Book Series: Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering. Cham: Springer; 2018. V. 238. P. 585–605. https://doi.org/10.1007/978-3-319-78813-5_30
54. Kish L.B., Entesari K., Granqvist C.G., Kwan C. Unconditionally secure credit/debit card chip scheme and physical unclonable function. Fluctuation Noise Lett. 2017;16(1):1750002. https://doi.org/10.1142/S021947751750002X
55. Suh G.E., O’Donnell C., Devadas S. Aegis: a single-chip secure processor. IEEE Des. Test Comput. 2007;24(6):570–580. https://doi.org/10.1109/MDT.2007.179
56. Suresh V., Manimegalai R. SPIC-SRAM PUF integrated chip based software licensing model. In: Thampi S., Madria S., Wang G., Rawat D., Alcaraz Calero J. (Eds.). Security in Computing and Communications. SSCC 2018. Communications in Computer and Information Science. Springer; 2018. V. 969. P. 377–388. https://doi.org/10.1007/978-981-13-5826-5_29
57. Kohnhäuser F., Schaller A., Katzenbeisser S. PUF-based software protection for low-end embedded devices. In: Conti M., Schunter M., Askoxylakis I. (Eds.). Trust and Trustworthy Computing. Trust 2015. Book Series: Lecture Notes in Computer Science. Cham: Springer; 2015. V. 9229. P. 3–21. https://doi.org/10.1007/978-3-319-22846-4_1
58. Zheng Y., Liu W., Gu C., Chang C-H. PUF-based Mutual Authentication and Key-Exchange Protocol for Peer-to-Peer IoT Applications [preprint]. TechRxiv; 2021.
59. Mahmood K., Shamshad S., Rana M., et al. PUF-enabled lightweight key-exchange and mutual authentication protocol for multi-server-based D2D communication. J. Inf. Secur. Appl. 2021;61:102900. https://doi.org/10.1016/j.jisa.2021.102900
60. Bathalapalli V.K.V.V., Mohanty S.P., Pan C., Kougianos E. QPUF: quantum physical unclonable functions for security-by-design of industrial Internet-of-Things. In: 2023 IEEE International Symposium on Smart Electronic Systems (iSES 2023). December 18–20, 2023. Hyderabad, India. Piscataway, NJ: IEEE; 2023. P. 296–301. https://doi.org/10.1109/iSES58672.2023.00067
Дополнительные файлы
|
|
1. Пример реализации пассивной физически неклонируемой функции на основе инертного слоя диэлектрика | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Посмотреть
(37KB)
|
Метаданные ▾ | |
- Представлен комплексный обзор аналоговых и пассивных физически неклонируемых функций.
- Проведен анализ уязвимостей к атакам на основе машинного обучения и разбор практических сценариев применения в современных интегральных схемах и устройствах интернета вещей.
Рецензия
Для цитирования:
Певцов Е.Ф., Деменкова Т.А., Малето М.И., Сигов А.С., Коротаев Ю.А., Евгеньев Н.Д. Физически неклонируемые функции в аналоговых интегральных схемах. Russian Technological Journal. 2026;14(3):83-105. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-3-83-105. EDN: QIOHGI
For citation:
Pevtsov E.P., Demenkova T.A., Maleto M.I., Sigov A.S., Korotaev Yu.A., Evgenev N.D. Physically unclonable functions in analog integrated circuits. Russian Technological Journal. 2026;14(3):83-105. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-3-83-105. EDN: QIOHGI
JATS XML


























