Mehrwertige Physikalisch Unklonbare Funktionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Fischer; Professor Dr.-Ing. Maurits Ortmanns
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401330297

In den letzten zwei Jahrzehnte hat die CMOS-Halbleiterfertigung Strukturgrößen von 100 nm unterschritten. Dadurch hat der Einfluss prozessbedingter Schwankungen auf die Variationen von Bauteilen drastisch zugenommen. Es hat sich allerdings auch herausgestellt, dass diese unvorhersagbaren und nicht reproduzierbaren Abweichungen für Schaltungen zur hardwarebasierten Chip-Identifikation genutzt werden können, die sogenannten Physikalisch Unklonbaren Funktionen (PUF). Hauptaufgabe einer PUF ist es, aus physikalischen Eigenschaften, welche mit unvorhersagbaren Abweichungen behaftet sind, eindeutige Schlüssel oder Fingerprints zu generieren. Um die Ausgabe einer spezifischen Instanz gegenüber schwankenden Umwelteinflüssen zu stabilisieren, sind Kanalcodierungsverfahren erforderlich.Obwohl ein solcher Fingerprint auf durch physikalisch verursachten Abweichungen identisch entworfener Komponenten basiert, werden diese Abweichungen bei aktuellen PUFs lediglich binär ausgewertet. In Hinsicht auf den Verwendungszweck von PUFs mit Schlüsseln endlicher Blocklänge ist diese Vorgehensweise jedoch im Bezug auf das Gesamtsystem nicht optimal.Folglich sollten mehrwertige PUFs (MPUFs) genauer untersucht und entworfen werden, deren Fingerprint aus einem Alphabet mit mehr als zwei Elementen stammt. Die Verwendung der analogen Verteilungen der Abweichungen zur Generierung mehrwertiger (nicht-binärer) Fingerprints führt zu mehr Freiheitgraden und somit eindeutigerem Verhalten eines PUFs und zu einer höheren Entropie der Schlüssel.Das geplante Projekt kombiniert Expertise im Integrierten Schaltungsentwurf mit der aus Nachrichtentechnik und Codierung. Ziel ist es, die mehrwertige Natur der Zufallsquellen in PUFs auszunutzen um die Entropie und die Robustheit der Fingerprints zu erhöhen. Der optimale Austausch zwischen dem Implementierungsaufwand von verbesserter Kanal- und Quellencodierung und dem eines verbesserten Schaltungsentwurfs soll analysiert werden.Im Projekt sollen einerseits realistische Modelle für die Hardwarekomponeten erstellt und simulativ verifiziert werden. Geeignete mehrwertige PUF-Quellen sollen identifiziert und optimiert werden. Andererseits werden Quellcodierungsmethoden und Verfahren der Codierten Modulation entworfen, die auf die mehrwertige Natur der Signale angepasst sind. Hierzu interagierenbeide Gruppen stark miteinander: Die Codierungs-Seite wird Anforderungen und Zielmetriken für verbesserte MPUFs definieren, was wiederum zu verbesserten MPUF-Einheitselementen führen wird; die dazugehörigen Hardwaremodelle bildendie Basis für angepasste und hocheffiziente Codierungsverfahren.Als Ergebnis des Projekts ist eine neue Klasse von PUFs mit verbesserten statistischen Merkmalen und Stabilität zu erwarten, welche Fingerprints zur Authentifizierung oder zur Schlüsselgenerierung in der Kryptograhpie bereitstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen