Oscilador de anillo: Generador de números aleatorios verdaderos (TRNG) versus función físicamente inclonable (PUF)

En la construcción TRNG, los anillos no tienen una señal de habilitación común, el único momento en el que se sincronizan es en el encendido. Luego corren libremente, cada uno a su propio ritmo. Esto no crea una gran cantidad de aleatoriedad per se, pero sí genera una gran cantidad de fallas en las entradas del flipflop. La esperanza es crear más aleatoriedad a partir de la metaestabilidad. Para la PUF hay una habilitación común, por lo que los osciladores en anillo compiten entre sí con un punto de sincronización común al comienzo. La entrada de desafío selecciona qué instancias compiten. Para un desafío dado y un chip dado, el resultado de la carrera tiende a tener siempre el mismo resultado, ya que la frecuencia precisa de cada anillo depende de las características físicas precisas de cada una de sus etapas.

No se relaciona con la duración del funcionamiento del RO, así es como se usan las salidas lo que marca la diferencia. Incluso puede eliminar la señal de habilitación en la PUF, que aún funcionará porque lo que cuenta es la diferencia en las frecuencias, mientras que para TRNG son los valores de salida reales en el momento del muestreo lo que importa.

Ese TRNG puede ser verdaderamente aleatorio, pero es difícil hacerlo bien (para obtener una alta velocidad de datos). Otras construcciones basadas en anillos asíncronos o mapas caóticos son una apuesta segura.

La PUF mide la frecuencia del oscilador, que depende de cómo se organizaron los átomos durante la fabricación del dispositivo. El RNG utiliza la aleatoriedad de la frecuencia y la fase del oscilador en períodos de tiempo cortos.

De dónde viene la aleatoriedad

Cualquier dispositivo de temporización (péndulo, resonador de cuarzo, oscilador RC, etc.) tiene algún "ruido" o "jitter" inherente, tal como lo conocen los diseñadores. Si construimos un oscilador cuya salida es un flujo de pulsos, el tiempo entre pulsos no es perfectamente consistente. Este ruido tiene propiedades y comportamiento similares a los tipos de ruido más familiares y es igual de aleatorio.

EnunosciladorenanilloTRNG,lafasedecadaosciladorrelativaalrelojdemuestrasedesplazaconeltiempo.Lamayorpartedeladerivasedebealadiferenciaentreelosciladorylasfrecuenciasdemuestreo,peroalgunassoncausadasporjitter.

Enotraspalabras,imagineunosciladordeanilloúnicoconunaentradadehabilitación.SeenciendeyluegosemuestreadespuésdealgúntiempoT.Cadaperiododura(1/f)+jitter.Despuésdeunlargotiempo,seagregaungrannúmerodevaloresdejitteralafase.Lasalidapodríaser1o0conigualprobabilidad.Desafortunadamente,paraeljittergaussiano,losvaloresdeNjitterjuntossolotienenunN^0.5dedesviaciónestándarmásamplia.

LosRNGcapturandemaneraeficientelaaleatoriedad

Esteesquemaesineficiente,yaquerequieremuchasmuestrasdejitterporbit.Ladistribucióndefasedebesertanampliaqueseacasiuniforme.ElmuestreodelasalidadelososciladoresenanilloNXORedjuntospermitelaproduccióndemásbitsaleatoriosqueelmuestreodelosmismososciladoresenanillodelNenF/N.Existeunanálisisestadísticoquemuestraporqué,perosepuedeentenderdeformaintuitivaconsiderandolacantidaddeoportunidadesquetienenlosvaloresdefluctuaciónparamoverlafasedeunosciladorsololosuficientecomoparaprovocaruncambiodeposición.Elsobremuestreoproducemuchosbitsensumayoríacorrelacionadosporoscilador.Xoringloscombinaparacrearunflujodesalidablanqueado.

LosPUFreducenelimpactodelaaleatoriedad

LosPUFestándiseñadosparareducirelefectodelasfuentesderuidoaleatoriasensusresultados.UnPUFidealdependesolodelaformaenquelosátomosaterrizarondurantelafabricacióndeldispositivo.EldiseñoPUFquehamostradonoestá"prediciendo" el valor de salida del oscilador en anillo en algún momento T . Cuenta los pulsos de salida. La salida es aproximadamente: "Is the frequency of the first selected ring oscillator higher than that of the second selected ring oscillator?" . Para tiempos de ejecución razonablemente largos, esto no se ve afectado significativamente por los valores de jitter. Los efectos de jitter se escalan con la potencia 0.5, mientras que el número de conteos aumenta linealmente. Los tiempos de ejecución más largos convergen hacia una comparación de frecuencia perfecta. Para osciladores con frecuencias muy cercanas, el jitter puede jugar un papel importante en el resultado. Es por esto que algunos valores de desafío de PUF pueden no tener una respuesta definitiva 1 o 0 en un dispositivo determinado.