物理不可克隆函数电路及相关芯片及电子装置

技术领域

本申请涉及一种电路，尤其涉及一种物理不可克隆函数电路及相关芯片和电子装置。

背景技术

许多加密协议都是基于物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions,PUF)来进行加密。举例来说，利用晶体管在集成电路制造过程中独一无二的变异，产生出不可复制的密钥。然而，除了半导体工艺上的因素，电压以及温度等外在环境因子同样也会影响物理不可克隆函数电路偏好的行为，所以往往需要搭配复杂的错误更正电路来确保所产生的密钥的稳定性，造成整体成本的上升。

因此，如何改善物理不可克隆函数电路的稳定性，已成为本领域亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物理不可克隆函数电路，包括：图案产生器以及可编程电路；其中所述物理不可克隆函数电路上电时，所述图案产生器依据本身的工艺不匹配特性及当下的环境因子形成偏好的电压值，所述偏好的电压值在所述物理不可克隆函数电路下电时挥发佚失；所述可编程电路耦接所述图案产生器，用来依据所述图案产生器形成的所述偏好的电压值来被编程，所述可编程电路被编程的结果在所述物理不可克隆函数电路下电时不挥发佚失。

本发明的目的在于提供一种芯片，包括上述的物理不可克隆函数电路。

本发明的目的在于提供一种装置，包括上述的芯片。

本申请的物理不可克隆函数电路及相关芯片和电子装置可以在实现基于物理不可克隆函数的认证机制时，提高稳定性及降低成本。

附图说明

图1为本发明的物理不可克隆函数电路的示意图。

图2为本发明的物理不可克隆函数电路的第一实施例的示意图。

图3为本发明的物理不可克隆函数电路的第二实施例的示意图。

图4为本发明的物理不可克隆函数电路的第二实施例操作在初始值设定阶段的示意图。

图5为本发明的物理不可克隆函数电路的第二实施例操作在编程阶段的示意图。

具体实施方式

图1为本发明的物理不可克隆函数电路的示意图。物理不可克隆函数电路100包含图案产生器102以及可编程电路104。图案产生器102采用半导体工艺。具体来说，图案产生器102以互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现。因此，当物理不可克隆函数电路100上电(power on)时，图案产生器102会依据本身的工艺不匹配特性形成偏好的电压值Dp，又称图案(pattern)，由于制造物理不可克隆函数电路100时，图案产生器102的工艺不匹配特性具有独特性和随机性，因此所述图案也就具有独特性和随机性，而能用以产生不可复制的密钥。应注意的是，偏好的电压值Dp可以包含一个或多个电压值。

然而，除了半导体工艺上的因素，当下的环境因子也会影响偏好的电压值Dp。举例来说，所述环境因子可以包含图案产生器102所在的环境的温度差异，及/或供应给图案产生器102的供应电压的电压值的差异等。由于图案产生器102所形成的偏好的电压值Dp在物理不可克隆函数电路100下电(power off)时即挥发佚失。而物理不可克隆函数电路100下一次上电时，若图案产生器102本身的工艺不匹配特性不够显著，上述的环境因子可能会造成图案产生器102所形成的偏好的电压值Dp'和前一次的偏好的电压值Dp不同。这种现象越容易发生，代表图案产生器102的稳定性越低，对于密钥的应用是越不利的。

因此，本申请还利用可编程(programmable)电路104来解决此问题。可编程电路104耦接图案产生器102，用来依据图案产生器102形成的偏好的电压值Dp来被编程(programmed)，可编程电路104被编程的结果在下电时不会挥发消失。

具体来说，当物理不可克隆函数电路100第一次上电时，会进入初始阶段，这时图案产生器102形成的偏好的电压值Dp会被利用来编程可编程电路104。而在之后任何一次重新上电后，当物理不可克隆函数电路100收到质询(challenge)信号Sc时，物理不可克隆函数电路100会通过可编程电路104将偏好的电压值Dp，回应质询信号Sc。由于可编程电路104所保存的内容是非易失的(non-volatile)，所以在下电之后，可编程电路104被编程的结果不会挥发佚失，因此在没有被重新编程之前，即使重新上电也不会改变其被编程的结果。所以可以确保在可编程电路104被重新编程之前，物理不可克隆函数电路100每次输出的图案，即偏好的电压值Dp，都一致不变。

在本实施例中，质询信号Sc来自物理不可克隆函数电路100外部的服务器，但本申请不以此为限。又，在本实施例中，物理不可克隆函数电路100仅在第一次上电时进入前述的初始阶段。然而在某些实施例中，还可以通过重置物理不可克隆函数电路100来使物理不可克隆函数电路100重新进入初始阶段，以重新编程可编程电路104。在某些实施例中，对于进入初始阶段的时间点也可以有其他的变化。例如可以设定物理不可克隆函数电路100在第一次收到质询信号Sc时(而非第一次上电时)进入初始阶段。

图2为本发明的物理不可克隆函数电路的第一实施例的示意图。物理不可克隆函数电路200中，以易失性内存202来实现物理不可克隆函数电路100中的图案产生器102；以及使用非易失性内存204来实现物理不可克隆函数电路100中的可编程电路104。易失性内存202包含至少一易失性内存单元(cell)，例如动态随机存取内存(Dynamic RandomAccess Memory,DRAM)单元或静态随机存取内存(Static Random Access Memory,SRAM)单元等；非易失性内存204包含至少一非易失性内存单元，例如闪存(flash memory)单元、铁电随机存取内存(Ferroelectric RAM,FRAM)单元、磁阻式随机存取内存(Magnetoresistive RAM,MRAM)单元、可编程只读存储器(Programmable read-onlymemory,PROM)单元、电可改写只读存储器(Electrically alterable read only memory,EAROM)单元、可抹除可编程只读存储器(Erasable programmable read only memory,EPROM)单元或电可抹除可编程只读存储器(Electrically erasable programmable readonly memory,EEPROM)单元等。

当物理不可克隆函数电路200进入初始阶段时，易失性内存202之中的至少一易失性内存单元上形成的偏好电压值Dp被读出后，再被储存至非易失性内存204之中的非易失性内存单元。而当物理不可克隆函数电路200收到质询信号Sc时，物理不可克隆函数电路200会根据非易失性内存204之中的非易失性内存单元所储存的偏好的电压值Dp来输出图案，以回应质询信号Sc。

图3为本发明的物理不可克隆函数电路的第二实施例的示意图。物理不可克隆函数电路300中，以易失性内存302来实现物理不可克隆函数电路100中的图案产生器102；以及使用非易失性内存304来实现物理不可克隆函数电路100中的可编程电路104。虽本申请不以此限，但为方便说明，后续以一个易失性内存单元以及对应的一个非易失性内存单元的工作方式来做说明。因此在图3中，易失性内存302中仅绘示了一个易失性内存单元，非易失性内存304中仅绘示了一个非易失性内存单元。

易失性内存单元302包含晶体管3022、晶体管3024、晶体管3026以及晶体管3028。在本实施例中，晶体管3022和晶体管3024为P型晶体管；晶体管3026和晶体管3028为N型晶体管。晶体管3022的源极耦接至第一参考电压V1，晶体管3022的漏极耦接至节点N，晶体管3022的栅极耦接至节点NB。晶体管3024的源极耦接至第一参考电压V1，晶体管3024的漏极耦接至节点NB，晶体管3024的栅极耦接至节点N。晶体管3026的源极耦接至第二参考电压V2，晶体管3026的漏极耦接至节点N，晶体管3026的栅极耦接至节点NB。晶体管3028的源极耦接至第二参考电压V2，晶体管3028的漏极耦接至节点NB，晶体管3028的栅极耦接至节点N。

非易失性内存单元包含N型浮闸晶体管(Floating-gate MOSFET)3042以及N型浮闸晶体管3044。N型浮闸晶体管3042耦接于节点N和位线(bitline)BL之间，且N型浮闸晶体管3042的栅极耦接字线(wordline)WL；N型浮闸晶体管3044耦接于节点NB和互补位线(complementary bitline)BLB之间，且N型浮闸晶体管3044的栅极耦接字线WL。在本实施例中，第一参考电压V1高于第二参考电压V2，例如第二参考电压V2可以是接地电压。此外应注意的是，依据本实施例的操作原理，也可针对本实施例中各晶体管的配置及/或极性做进一步调整。

以物理不可克隆函数电路300来说，初始阶段又包含初始值设定阶段以及编程阶段。如图4所示，在初始值设定阶段，字线WL的电压被设定成低电压电平(例如可以是第二参考电压V2)，以及位线BL和互补位线BLB的电压被设定成高电压电平(例如可以是第一参考电压V1)。在此假设因为工艺不匹配造成节点N的电压高于节点NB，即节点N的电压为第一参考电压V1，节点NB的电压为第二参考电压V2，以便后续说明。

接着进入编程阶段时，如图5所示，位线BL和互补位线BLB的电压被设定成低电压电平(例如可以是第二参考电压V2)，以及字线WL的电压被设定成高电压电平(例如可以是第一参考电压V1)。由于节点N的电压(第一参考电压V1)高于位线BL的电压(第二参考电压V2)，N型浮闸晶体管3042会产生通道热载子注入到浮动匣极造成阈值电压的上升。而节点NB的电压(第二参考电压V2)等于互补位线BLB的电压(第二参考电压V2)，N型浮闸晶体管3044不会产生热载子注入浮动栅极而保持原有的阈值电压。因此在编程阶段完成后，N型浮闸晶体管3042的阈值电压会高于N型浮闸晶体管3044的阈值电压。

当物理不可克隆函数电路300下电之后再重新上电时，由于位线BL和互补位线BLB的电压一般会先经过电源开关，因此充电的时间会相对落后。加上N型浮闸晶体管3042的阈值电压被编程为高于N型浮闸晶体管3044的阈值电压，因此使得节点NB会比节点N点更容易偏向低电压电平(例如可以是第二参考电压)。也就是说，利用N型浮闸晶体管3042和N型浮闸晶体管3044，可以加强易失性内存单元中节点N和节点NB原本的电压偏好，使物理不可克隆函数电路300的稳定性大幅提升。

本申请的物理不可克隆函数电路100/200/300可大幅提高传统的物理不可克隆函数电路的稳定性，因而可省去错误更正电路。换句话说，本申请的物理不可克隆函数电路100/200/300可以在实现基于物理不可克隆函数的认证机制时，提高稳定性及降低成本。

本申请还提出一种芯片，包含物理不可克隆函数电路100/200/300设置于其中。本申请还提出一种包含所述芯片的电子装置。具体来说，所述电子装置可包含但不限于行动通信设备、超级行动计算机、便携式娱乐设备和其他的电子设备。行动通信设备的特点是具备行动通信功能，并且以提供语音、数据通信为主要目标。这类设备包括：智能型手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。超级行动计算机属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备行动上网特性。这类设备包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。便携式娱乐设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音讯、影片播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

上文的叙述简要地提出了本发明某些实施例的特征，而使得本领域技术人员能够更全面地理解本发明内容的多种态样。本领域技术人员当可明白，其可轻易地利用本发明内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处的实施方式相同的目的及/或达到相同的优点。本领域技术人员应当明白，这些均等的实施方式仍属于本发明内容的精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本发明内容的精神与范围。