2022 Fiscal Year Research-status Report
Study of a Strong FUF for Light Weight Authentication without Cryptography
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21K04201
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| Research Institution | Waseda University |
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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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ストロングPUF / モデリング攻撃 / ビットエラー率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、それ自身で実質無尽蔵のチップ固有チャレンジレスポンスペア（以下CRP）を生成するストロングPUFで、モノ認証の低エネルギー化と高速化を目的としている。そのための課題はa)機械学習によるモデリング攻撃耐性強化 b)ビットエラー率低減 c) エネルギー効率とスループット改善、の３点である。2021年度の報告で述べた今後の研究の推進方策に沿って研究を行い、次の成果が得られた。
a)では、c)とも関係するが、SRAM PUFを組み合わせたアーキテクチャを進化させて、レスポンス出力を100bitに拡張した（昨年度5bitの20倍、通常1bitの100倍）。この機械学習耐性を10百万CRPまで評価し安全性を確認した。レスポンスbit数に換算すると10億bitで、目標の40百万CRP時の40百万レスポンスbitを優に超えている。更に暗号解析による攻撃対策として、各処理ラウンドにおけるbit幅も100bitに拡張して、組み合わせ空間を暗号レベルまで大きくした。また、エントロピーS-BOXの衝突確率をほぼ0にするなどにより、暗号解析のヒントとなる多bitレスポンスの出現確率の偏りを消去した。
b) では、ホットキャリアの選択的注入によるミスマッチ強化のビットセル毎のばらつきに着目した。作成した統計的モデルからトランジスタサイズを大きくすることでばらつきを小さくできることを予見し、実測で確認した。サイズ2倍で注入時間を0.54倍に、同3倍で0.32倍に短縮できる見通しを得た。
c)では、前述の通りレスポンス出力の100bitへの拡張を行った。これにより、スループットは目標の3倍以上の3.7bit/cycleを達成した。従来の1bitレスポンスでは1回の認証に100個のCRPが必要だったものが、1個のCRPで済むことになり、認証システムとしての利便性も高まる
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
a)では、機械学習によるモデリング攻撃耐性をレスポンスbit数に換算すると10億bitで、目標設定時の40百万レスポンスbitの25倍を達成した。認証1回あたりに使用するレスポンスを100bitとして、1分間に1回の認証だと、20年間盗聴し続けても破られないことになって、ほぼ実用的には問題ない。更に申請時や実施計画策定時には想定していなかった、数学的な暗号解析による攻撃への対策も行った。
b)では、ストロングPUFの構成要素となるSRAM PUF単体で、トランジスタサイズ2倍で注入時間を0.54倍に、同3倍で0.32倍に短縮でき、目標の5分間をクリアする見通しを得た。
c)では、レスポンス出力を100bitビットに拡張したアーキテクチャにより、処理サイクル数は0.27cycle/bitに大幅削減した。目標達成するとともに、AESの約1/10を達成した。但し消費エネルギーは、動作電源電圧が高かったため3.43pJ/bitで、AESを少し下回っただけで、目標にはまだ開きがある。
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| Strategy for Future Research Activity |
a)では、機械学習耐性は既に目標を達成し、暗号解析による攻撃への対策も行ったので、今後はより少ないロジック数やサイクル数で同等の攻撃耐性を持たせるよう、アーキテクチャの改良を行う。
b)では、2022年度成果であるトランジスタサイズを拡大したSRAM PUF単体を用いて、実用的電源電圧範囲・温度範囲、更に標準条件換算10年のエージンクで、BRE<1x10-6 (106評価でエラーゼロ)を、短時間HCIバーンイン時間で実証する。
c)では、スループットは既に目標達成した。残る出力1ビット当たりのエネルギー効率の目標を、低電源電圧動作により達成する。
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| Causes of Carryover |
海外出張旅費の金額で若干の残差が発生した。出張旅費として使用する予定。
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