We introduce a Physically Unclonable Function (PUF) based on an ultra-fast chaotic network known as a Hybrid Boolean Network (HBN) implemented on a field programmable gate array. The network, consisting of $N$ coupled asynchronous logic gates displaying dynamics on the sub-nanosecond time scale, acts as a `digital fingerprint' by amplifying small manufacturing variations during a period of transient chaos. In contrast to other PUF designs, we use both $N$-bits per challenge and obtain $N$-bits per response by considering challenges to be initial states of the $N$-node network and responses to be states captured during the subsequent chaotic transient. We find that the presence of chaos amplifies the frozen-in randomness due to manufacturing differences and that the extractable entropy is approximately $50\%$ of the maximum of $N2^{N}$ bits. We obtain PUF uniqueness and reliability metrics $\mu_{inter}$ = 0.40$\pm$0.01 and $\mu_{intra}$ = 0.05$\pm$0.00, respectively, for an $N=256$ network. These metrics correspond to an expected Hamming distance of 102.4 bits per response. Moreover, a simple cherry-picking scheme that discards noisy bits yields $\mu_{intra} < 0.01$ while still retaining $\sim200$ bits/response (corresponding to a Hamming distance of $\sim80$ bits/response). In addition to characterizing the uniqueness and reliability, we demonstrate super-exponential scaling in the entropy up to $N=512$ and demonstrate that PUFmeter, a recent PUF analysis tool, is unable to model our PUF. Finally, we characterize the temperature variation of the HBN-PUF and propose future improvements.
翻译:我们推出一个基于超快混乱网络的“物理不全功能 ” ( PUF), 以超快的混乱网络为基础, 称为混合布林网络(HBN), 在现场可编程的门阵列中实施。 这个网络由美元和无序逻辑门组成, 在亚nano第二时间尺度上显示动态, 作为一种“ 数字指纹 ”, 在短暂混乱时期扩大小型制造变异。 与其他PUF设计相比, 我们使用每个挑战的美元比特, 并获得每回应的美元比特。 我们使用PUF 的美元和可靠性, 每挑战的美元比特, 考虑的挑战是: 美元网络的初始状态, 在随后的混乱中执行。 我们发现, 混乱的存在会放大了因制造差异而冻结的随机性, 而可提取的印数大约是50美元, 在短暂的混乱时期, 我们得到的是PUFI的 美元 元和可靠性 美元 美元 。 美元 美元 美元 美元 = 040美元 美元 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 。