Quality Improvement of Natural Data for Security by Controling Initial State

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K06404
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 篠原 尋史 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 特任教授 (50531810)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: PUF / TRNG / 乱数 / ビットエラー率 / ホットエレクトロン注入 / ハードウェアセキュリティ

Outline of Annual Research Achievements

PUFでは目標以上の性能を、TRNGでは目標性能をそれぞれ達成した。
PUFでは、新規な8TハイブリッドSRAM PUFを開発し、これにホットエレクトロン注入によるミスマッチ強化を行った。12分のホットエレクトロン注入の結果、電源電圧0.5V～0.7Vかつ周囲温度-40℃～120℃の広い動作範囲でエラーゼロを達成した。更に、21年相当の加速エージング試験でもエラーが観測されず、信頼性も確認された。次測定で1bitエラー発生したと仮定した悲観的ビットエラー率は1E-7。また消費エネルギーは2.08fF/bitで、世界最小クラスである。なお、エラーゼロなので、当初予定の軽量ECCは不要となった。
TRNGでは、ラッチベースTRNGの16セルから0.8V～1.5Vの広い電源電圧範囲で0.30bit以上の平均エントロピーを得た。
TRNG出力から高品質乱数を抽出する軽量混ぜ合わせ論理では、改良8bitフォンノイマン＋Waitingアルゴリズム(VN_8W)の論理簡略化と低エネルギー設計を行った。出力効率は62.2%で、130nm CMOSでゲートカウント381GE、エネルギー3.12pJ/bitとなり、先行研究よりも出力効率が高くエネルギーも小さい結果が得られた、　ラッチベースTRNGの成果と組み合わせると、生TRNG出力6bitから生成される高品質乱数は1.12bitとなり、目標の1bitを達成した。

Research Products

• [Journal Article] A 373-F? 0.21%-Native-BER EE SRAM Physically Unclonable Function With 2-D Power-Gated Bit Cells and VSS Bias-Based Dark-Bit Detection (2020)
  • Author(s): Liu Kunyang、Min Yue、Yang Xuan、Sun Hanfeng、Shinohara Hirofumi
  • Journal Title: IEEE Journal of Solid-State Circuits Volume: 5 Pages: 1719-1732
  • DOI: 10.1109/JSSC.2019.2963002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A 0.5-V 2.07-fJ/b 497-F2 EE/CMOS Hybrid SRAM Physically Unclonable Function with < 1E-7 Bit Error Rate Achieved through Hot Carrier Injection Burn-in (2020)
  • Author(s): Kunyang Liu, Hongliang Pu and Hirofumi Shinohara
  • Organizer: IEEE 2020 Custom Integrated Circuits Conf. (CICC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Throughput & Power Efficiency 8 Bits Von Neumann Post-Processing with Waiting Strategy for True Random Number Generators (2019)
  • Author(s): Ruilin Zhang and Hirofumi Shinohara
  • Organizer: TJCAS 2019
  • Int'l Joint Research