การแนะนำ

ในที่นี้เราจะมุ่งเน้นไปที่กลุ่มย่อยของ PUF ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด ซึ่งก็คือ PUF ที่ทำจากซิลิคอน ดังที่ชื่อบ่งบอก PUF ประเภทนี้จะได้รับค่าการวัดเฉพาะกรณีจากซิลิคอน ซึ่งหมายความว่า PUF เหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของ วงจรรวม (IC )

เนื่องจากความแปรผันในกระบวนการผลิตระดับซับไมครอนที่ลึกมาก ทำให้ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวในวงจรรวม (IC) มีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันเล็กน้อย ความแปรผันเหล่านี้ส่งผลให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อยแต่สามารถวัดได้ในคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ เช่น แรงดันเกณฑ์ของทรานซิสเตอร์และอัตราขยาย เนื่องจากความแปรผันในกระบวนการผลิตเหล่านี้ไม่สามารถควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ คุณสมบัติทางกายภาพของอุปกรณ์เหล่านี้จึงไม่สามารถคัดลอกหรือลอกเลียนแบบได้

ด้วยการใช้ประโยชน์จากความแปรผันโดยธรรมชาติเหล่านี้ PUF จึงมีคุณค่าอย่างมากในการใช้เป็นตัวระบุเฉพาะสำหรับ IC ใดๆ โดยทำเช่นนั้นผ่านวงจรภายใน IC ที่แปลงความแปรผันเล็กน้อยเหล่านั้นให้เป็นรูปแบบดิจิทัลของ 0 และ 1 ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับชิปนั้นๆ และสามารถทำซ้ำได้ตลอดเวลา รูปแบบนี้คือ "ลายนิ้วมือซิลิคอน" ซึ่งเทียบได้กับลายนิ้วมือทางชีวภาพของมนุษย์

คำนิยาม

ฟังก์ชันทางกายภาพที่ไม่สามารถลอกเลียนแบบได้ (Physical Unclonable Function หรือ PUF) คือวัตถุทางกายภาพใดๆ ก็ได้ ที่เมื่อได้รับอินพุตและเงื่อนไข (ความท้าทาย) ที่กำหนด จะให้เอาต์พุต (การตอบสนอง) ที่เป็น "ลายนิ้วมือดิจิทัล" ที่กำหนดขึ้นทางกายภาพ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวระบุที่ไม่ซ้ำกัน โดยส่วนใหญ่มักใช้กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์

ฟังก์ชันที่ไม่สามารถลอกเลียนแบบได้ทางกายภาพทำงานอย่างไร?

การใช้ PUF เพื่อวัตถุประสงค์ด้านความปลอดภัยและการระบุตัวตนนั้น ทำได้โดยใช้อัลกอริธึมเฉพาะที่แปลงลายนิ้วมือซิลิคอนให้เป็นกุญแจเข้ารหัส กุญแจนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับชิปแต่ละตัวและใช้เป็นกุญแจหลัก กุญแจหลักจะถูกสร้างขึ้นใหม่ได้อย่างน่าเชื่อถือจาก PUF ทุกครั้งที่ระบบต้องการ โดยไม่จำเป็นต้องจัดเก็บกุญแจไว้ในหน่วยความจำใดๆ เมื่ออุปกรณ์ปิดเครื่อง จะไม่มีกุญแจลับใดๆ อยู่ในหน่วยความจำ ในทางปฏิบัติ กุญแจหลักจะ "มองไม่เห็น" สำหรับผู้โจมตี ซึ่งทำให้การจัดเก็บกุญแจด้วย PUF มีความปลอดภัยสูงมาก

ดังนั้น การใช้งาน PUF จึงต้องใช้อัลกอริธึมการประมวลผลเพื่อแปลงลายนิ้วมือซิลิคอนให้เป็นกุญแจรากทางด้านการเข้ารหัส เนื่องจากลายนิ้วมือซิลิคอนจะมีสัญญาณรบกวนเล็กน้อยระหว่างการวัดที่แตกต่างกัน เพราะนอกจากความแปรผันโดยธรรมชาติของกระบวนการผลิตแล้ว คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ยังได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิและแหล่งจ่ายไฟ ดังนั้น การใช้งาน PUF ที่ดีจึงต้องแปลงลายนิ้วมือที่มีสัญญาณรบกวนนี้ให้เป็นสตริง 0 และ 1 ที่เสถียรและสุ่มอย่างสมบูรณ์ เพื่อให้มีคุณสมบัติเป็นกุญแจเข้ารหัส สำหรับจุดประสงค์นี้ การใช้งาน PUF ส่วนใหญ่ใช้สองกระบวนการ:

• การแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อให้แน่ใจว่าคีย์ที่ได้มานั้นเหมือนกันทุกครั้งที่มีการวัดค่า PUF
• การขยายความเป็นส่วนตัว เพื่อแปลงลายนิ้วมือให้เป็นสตริงสุ่มอย่างสมบูรณ์ของ 0 และ 1

ข้อดีของฟังก์ชันทางกายภาพที่ไม่สามารถลอกเลียนแบบได้

ข้อดีของการใช้เทคโนโลยี PUF มีดังนี้:

• ความปลอดภัยระดับสูง: เทคโนโลยี PUF มอบความปลอดภัยระดับสูง เนื่องจากคีย์หลักของอุปกรณ์จะไม่ถูกจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำถาวร ทำให้ไม่สามารถคัดลอกและมองไม่เห็นโดยผู้โจมตี เทคโนโลยีนี้ได้รับการทดสอบและรับรองอย่างเข้มงวดจากหน่วยงานต่างๆ เช่น กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ รัฐบาลหลายประเทศในสหภาพยุโรป และหน่วยงานรับรองต่างๆ
• ความยืดหยุ่นสูง: เทคโนโลยี PUF มีความยืดหยุ่นสูง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีการฉีดคีย์จากภายนอกเข้าไปในอุปกรณ์ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของห่วงโซ่อุปทานได้อย่างมาก ทั้งจากการไม่ต้องพึ่งพาบุคคลที่เชื่อถือได้ในการดำเนินการฉีดคีย์ และจากการทำให้สามารถตั้งโปรแกรมคีย์ได้ในทุกช่วงของวงจรชีวิตอุปกรณ์ เทคโนโลยี PUF เป็นเทคโนโลยี CMOS มาตรฐานที่สามารถใช้ได้กับโรงงานผลิตและเทคโนโลยีการผลิตทุกแห่ง ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถนำสถาปัตยกรรมด้านความปลอดภัยกลับมาใช้ใหม่ได้โดยไม่คำนึงถึงเทคโนโลยีการผลิตที่พวกเขากำลังใช้งานอยู่
• ต้นทุนต่ำ: เทคโนโลยี PUF ไม่จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์รักษาความปลอดภัยเฉพาะ (เช่น หน่วยความจำที่ได้รับการป้องกันทางกายภาพ) หรือส่วนประกอบราคาแพง เช่น วงจรจ่ายไฟ ดังนั้นจึงมีต้นทุนต่ำมากเมื่อเทียบกับวิธีการป้องกันกุญแจแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ ต้นทุนแบบดั้งเดิมสำหรับการจัดเตรียมกุญแจให้กับอุปกรณ์ในสถานที่ที่เชื่อถือได้ก็ไม่เกี่ยวข้อง เนื่องจากกุญแจถูกสร้างขึ้นอย่างปลอดภัยภายในตัวอุปกรณ์เอง

การใช้งานเทคโนโลยีนี้มีความหลากหลาย ตั้งแต่ PUF สำหรับความปลอดภัยของ IoT ซึ่งต้นทุนต่ำและการใช้งานที่ยืดหยุ่นของเทคโนโลยีนี้ให้ประโยชน์อย่างมาก ไปจนถึง PUF สำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและภาครัฐ ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถมอบความปลอดภัยในระดับสูงสุดได้