

Dieses Projekt wird gefördert durch das FIDES Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.
Die digitale Welt ermöglicht heutzutage, selbstfahrende Autos, vernetzte Geräte oder ganz allgemein das Internet der Dinge. Diese Vernetzung erhöht gleichzeitig die Anforderungen an sichere und vertrauenswürdige eingebettete Geräte. Da diese autonom aber wertschöpfend arbeiten, müssen sie mit den Problemen der physischen Manipulation umgehen können - angefangen vom Diebstahl von Regierungsgeheimnissen bis hin zur Manipulation von Spielautomaten oder dem Hacken von Bitcoin-Geldbörsen.
Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach gesicherten elektronischen Systemen mit eindeutigem Fingerabdruck für einzelne Komponenten zum Schutz vor derartiger Kriminalität. Ein System, bei dem kritische Sensorelemente mit einem eindeutigen Fingerabdruck versehen sind, erhöht nicht nur die Manipulationssicherheit, sondern verhindert auch den Austausch durch gefälschte Komponenten. Die Entwicklung von Bauelementen, Leiterplatten und Sensoren, die sowohl einen eindeutigen Fingerabdruck als auch einen Manipulationsschutz bieten, ist deswegen ein komplexes Unterfangen.
Am Lehrstuhl für Schaltungsentwurf arbeiten wir an neuartigen Konzepten, um Fertigungsschwankungen eines Sensorelements als zufällige Signatur (Physical Unclonable Function - kurz PUF) zu nutzen. Diese Schwankungen müssen unabhängig von den Umweltbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit und gehäusebedingtem mechanischem Stress) extrahiert werden.
Widerstandsbasierte Physical Unclonable Function
Etablierte Silizium-PUFs wie SRAM-, Arbiter- oder Ringoszillator-PUFs erzeugen effizient individuelle Fingerprints für die kryptografische Schlüsselerzeugung [1]. Da es sich um digitale Schaltungen handelt, bieten sie eine hohe Kompatibilität mit gängigen EDA-Tools. Kompensationsmechanismen erster Ordnung, wie z. B. symmetrische Pfade oder differentielle Bewertung von Strukturen, können implementiert werden, um lineare globale Effekte zu berücksichtigen.
Beim Entwurf analoger Schaltungen hingegen sind Fertigungsabweichungen zwischen identischen Schaltungskomponenten äußerst ertragsrelevant. Diese Variationen sind eine Überlagerung von systematischen globalen Prozessvariationen, die z. B. durch Gradienten in der Dotierungskonzentration verursacht werden, und statistischen zufälligen lokalen Variationen, die allgemein als Mismatch bezeichnet werden. Beide Effekte werden in der Regel von Halbleiterherstellern gut charakterisiert und können in statistischen Analogsimulationen berücksichtigt werden. Wir arbeiten an einem PUF-Primitive, das den Mismatch von Widerständen mit identischen Nominalwerten ausnutzt.
Physical Unclonable Functions basierend auf Hall Sensoren

Diese Arbeit befasst sich mit der Erstellung von Fingerabdrücken von Hall-Sensoren, die normalerweise keine kryptografische Authentifizierung unterstützen. Diese kostengünstige Lösung, die Fingerabdrücke mit wenigen Bits liefert, hilft gegen versehentliches oder beabsichtigtes Vertauschen von Sensoren und erhöht den Aufwand, einen Sensor zu fälschen. Integrierte Hallsensoren liefern in der Regel ein schwaches analoges Signal, das durch Prozessschwankungen, Temperaturdrift, Offsetspannung und 1/f-Rauschen aufgrund von Inhomogenitäten in der Dotierungskonzentration und Asymmetrien in der Geometrie beeinflusst wird [2]. Viele kommerzielle Hallsensoren verwenden die Technik des Current Spinnings, um diese Effekte zu eliminieren, wie in Abb. 1 dargestellt. In ähnlicher Weise wird der Fingerabdruck der Hall-Sensoren durch Ausnutzung des Offsets und Kompensation des Magnetfelds gewonnen.
Reference
C. Herder, M.-D. M. Yu, F. Koushanfar, and S. Devadas, “Physical unclonable functions and applications: A tutorial,” Proceedings of the IEEE, vol. 102, no. 8, pp. 1126–1141, 2014.
X. Chen, Y. Xu, X. Xie, Y. Guo, and Y. Huang, “A novel hall dynamic offset cancellation circuit based on four-phase spinning current technique,” in 2015 China Semiconductor Technology International Conference, 2015.