初期状態設定によるセキュリティー用自然由来データの高品質化の研究

• 研究課題/領域番号: 17K06404
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: PUF / TRNG / 乱数 / ビットエラー率 / ハードウェアセキュリティ / ホットエレクトロン注入 / 電子デバイス・機器 / セキュア・ネットワーク / 暗号・認証等

研究成果の概要

モノのセキュリティーのため、自然由来乱数を生成する集積回路の品質向上を行った。基本構成のラッチ回路において、微小な素子ばらつきや熱雑音から安定して乱数を得るため、素子固有値を出力するPUFでは双安定の分水嶺から離れた点に初期状態を誘導し、毎回予測不能な値を生成するTRNGでは初期値を分水嶺上に設定するアイデアを用いた。
PUFでは、ホットキャリア注入によるミスマッチ強化などの技術で一層の安定性向上を図り、最悪の電源電圧・温度条件下やエージング後でエラーゼロを達成した。
TRNGでは、高出力効率の後処理回路と組み合わせて、6セル出力から1ビットの高品質乱数を安定して創出することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

PUFは、暗号鍵の安全を守ることから信頼の礎と呼ばれている。従来は強力ECCで安定化していたが、回路が複雑で消費エネルギーも大きく、リアルタイム性にも乏しかった。本成果はECC不要なので、省エネルギー高速で、IoT端末適用が期待される。近年はゲート絶縁膜破壊や不揮発メモリを用いてエラーゼロの報告はある。標準CMOSプロセスで破壊痕跡なくエラーゼロを示した功績は大きい。
ラッチTRNGのコア回路は小さいが、出力が偏るためにフィードバック制御や多数のセルを準備する必要があった。本研究ではフィードバック制御無しに6セルだけから高品質乱数を得ることを実証したので、一層の小型省エネルギーに貢献できる。

研究成果

• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Liu Kunyang、Min Yue、Yang Xuan、Sun Hanfeng、Shinohara Hirofumi
  • 雑誌名: IEEE Journal of Solid-State Circuits 巻: 5 ページ: 1719-1732
  • DOI: 10.1109/jssc.2019.2963002
  • 査読あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Kunyang Liu, Hongliang Pu and Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: IEEE 2020 Custom Integrated Circuits Conf. (CICC)
  • 国際学会
• [学会発表] High-Throughput & Power Efficiency 8 Bits Von Neumann Post-Processing with Waiting Strategy for True Random Number Generators (2019)
  • 著者名/発表者名: Ruilin Zhang and Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: TJCAS 2019
  • 国際学会
• [学会発表] A 373 F2 2D Power-Gated EE SRAM Physically Unclonable Function With Dark-Bit Detection Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Kunyang Liu, Yue Min, Xuan Yang, Hanfeng Sun and Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: IEEE 2018 A-SSCC, pp.161-164, Nov. 2018.
  • 国際学会
• [学会発表] High-Throughput Von Neumann Post-Processing for Random Number Generator (2018)
  • 著者名/発表者名: Ruilin Zhang, Sijia Chen, Chao Wan, Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: IEEE, 2018 International Symposium on VLSI Design, Automation and Test (VLSI-DAT), D3-1, April 2018.
  • 国際学会
• [学会発表] Compensation of Temperature Induced Flipping-Bits in CMOS SRAM PUF by NMOS Body-Bias (2018)
  • 著者名/発表者名: Xuanhao Zhang, Xiang Chen, Hanfeng Sun and, Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: IEICE Technical Report, HWS2018-38, pp. 333-336, July 2018
• [学会発表] 情報セキュリティのためのランダム回路 (2018)
  • 著者名/発表者名: 篠原尋史
  • 学会等名: 信学技報、ICD2018-11, pp. 45-46, 2018年 4月
  • 招待講演
• [学会発表] High-Throughput Von Neumann Post-Processing for Random Number Generator (2018)
  • 著者名/発表者名: Ruilin Zhang
  • 学会等名: IEEE, International Symposium on VLSI Design, Automation and Test (VLSI-DAT)
  • 国際学会
• [学会発表] 情報セキュリティのためのランダム回路 (2018)
  • 著者名/発表者名: 篠原 尋史
  • 学会等名: 電子情報通信学会、ICD研究会
  • 招待講演