越來(lái)越多的IC廠商開始探索一種芯片級(jí)的安全技術(shù)來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，這種技術(shù)被稱為物理不可克隆功能（PhysicallyUnclonableFunction，簡(jiǎn)稱PUF）。雖然芯片的生產(chǎn)流程是很精密的，但芯片上每個(gè)電路還是有細(xì)微的差異，這種技術(shù)就是利用這一差異。PUF利用這些微小的差異來(lái)生成一個(gè)獨(dú)特的數(shù)值作為密鑰，而密鑰對(duì)數(shù)字安全至關(guān)重要。

　　安全問(wèn)題正日益成為互聯(lián)設(shè)備（或物聯(lián)網(wǎng)IoT）開發(fā)人員的一大擔(dān)憂，尤其是當(dāng)他們不得不面對(duì)巨大安全風(fēng)險(xiǎn)的情況下，這些安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自黑客攻擊、信息泄露和安全漏洞。

　　考慮到IoT設(shè)備需要保持低功耗和優(yōu)化處理能力，要提高其安全性而又不增加芯片尺寸或成本，這是IoT設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)之一。

　　有效的PUF技術(shù)就可能克服傳統(tǒng)密鑰存儲(chǔ)的局限性：PUF電路沒(méi)有電池或其它永久性電源。任何對(duì)這個(gè)密鑰進(jìn)行物理探測(cè)的嘗試都將會(huì)極大地改變PUF電路的特性，從而產(chǎn)生一個(gè)不同的數(shù)字。PUF密鑰只在需要加密操作時(shí)生成，并且可以立即擦除。

　　從料單（BOM）成本的角度看，PUF技術(shù)在防篡改SRAM的安全性方面具有很大優(yōu)勢(shì)。雖然單靠PUF技術(shù)本身不足以保證密鑰安全，但它無(wú)疑可將嵌入式設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

　　最近，我們看到美信（MaximIntegrated）和SiliconLabs發(fā)布了利用PUF技術(shù)保證安全的芯片產(chǎn)品。SiliconLabs在其WirelessGeckoSeries2平臺(tái)上，為面向IoT設(shè)備的無(wú)線SoC添加了基于硬件的安全功能，就是將安全軟件功能與PUF硬件技術(shù)結(jié)合起來(lái)。Maxim發(fā)布的ChipDNAMAX32520是基于ArmCortex-M4的微控制器，采用PUF技術(shù)來(lái)提供多級(jí)保護(hù)。ChipDNA可以生成安全密鑰，直接用于多種加密安全功能，比如一種對(duì)稱密匙可對(duì)存儲(chǔ)于安全I(xiàn)C非易失性存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密/解密。

　　Maxim的一位發(fā)言人告訴《EETimes》，“MAX32520適用于于多種應(yīng)用，盡管我們?cè)谇度胧绞澜缯箷?huì)上的新聞發(fā)布公告中特別指出了IoT應(yīng)用，但該芯片并不局限于IoT”。該器件可用于其它領(lǐng)域，包括工業(yè)、醫(yī)療、計(jì)算等。

　　基于串行閃存仿真功能，MAX32520可以為任何處理器實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)，并提供兩個(gè)額外的物理層：裸片屏蔽和物理篡改檢測(cè)。該芯片還提供了內(nèi)部閃存加密選項(xiàng)，可用于IP保護(hù)和閃存數(shù)據(jù)保護(hù)。它支持SHA512、ECDSAP521和RSA4096等強(qiáng)大的加密算法，其強(qiáng)大的加密功能可提高設(shè)備的可信度。MAX32520利用ChipDNA輸出作為密鑰內(nèi)容，以加密的方式保護(hù)來(lái)設(shè)備存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，包括用戶固件。用戶固件的加密可實(shí)現(xiàn)終極的軟件IP保護(hù)。

　　ChipDNA還可以為ECDSA簽名操作生成私鑰。為支持系統(tǒng)級(jí)安全，MAX32520提供了符合FIPS/NIST規(guī)范的TRNG、環(huán)境和篡改檢測(cè)電路。任何探測(cè)或觀察ChipDNA的嘗試都會(huì)改變底層電路的特性，從而避免了芯片加密功能所用的唯一值被發(fā)現(xiàn)。同樣，由于使ChipDNA電路正常運(yùn)行所需的工廠條件限制，即便高超的逆向工程嘗試也無(wú)法成功。

　　與此同時(shí)，SiliconLabs物聯(lián)網(wǎng)安全高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理MikeDow向EETimes解釋了他們?nèi)绾卧贗oT設(shè)備的無(wú)線SoCs中使用PUF技術(shù)。“為了將PUF嵌入SiliconLabs的安全庫(kù)和安全元件技術(shù)中，我們使用了SRAMPUF，意指利用一組SRAM位的固有隨機(jī)性，當(dāng)它們被激活時(shí)可以獲得一個(gè)該設(shè)備獨(dú)有的對(duì)稱密鑰。我們所采用的SRAMPUF技術(shù)在市場(chǎng)上具有最長(zhǎng)的可靠性記錄。由于我們的客戶所部署的設(shè)備通常運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10年，因此我們需要具有長(zhǎng)期可靠性的PUF技術(shù)。”

　　他解釋道，在SiliconLabs的實(shí)施方案中，PUF的使用僅限于創(chuàng)建密鑰加密密鑰（KEK），KEK用于封裝（加密）系統(tǒng)中的其它密鑰，并將它們存儲(chǔ)在內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器中。“因?yàn)镵EK僅用于訪問(wèn)封裝的密鑰，所以它的使用時(shí)間會(huì)受到限制，從而降低了遭受多種攻擊的可能性。此外，只有在重啟或復(fù)位（PoweronReset--POR）的時(shí)候才需要重構(gòu)KEK，這進(jìn)一步限制了生成密鑰過(guò)程的訪問(wèn)。”

　　在本設(shè)計(jì)中，除了KEK之外的每一個(gè)密鑰都是由遵循NIST規(guī)范的真隨機(jī)生成器（TRNG）產(chǎn)生的，然后用AES加密來(lái)封裝密鑰。TRNG和AES技術(shù)在安全行業(yè)中都很常見，易于理解、測(cè)試和驗(yàn)證。我們還使用了256位密鑰來(lái)增加AES加密的強(qiáng)度。為了進(jìn)一步增強(qiáng)算法的抗攻擊能力，還將差分功率分析（DPA）邊信道保護(hù)應(yīng)用于AES算法。設(shè)備的所有密鑰信息都以這種方式封裝，包括生成的ECC私有/公共身份密鑰對(duì)，并存儲(chǔ)在一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器中。

　　在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的云安全方案（需大量多對(duì)非對(duì)稱密鑰）時(shí)，在幾乎沒(méi)有限制的內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器中安全地存儲(chǔ)密鑰信息的能力是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。另一種方案是將密鑰以純文本的形式存儲(chǔ)，但是這種方法要求在物理上非常安全的內(nèi)存，這樣的內(nèi)存既復(fù)雜又昂貴。Dow提到：“在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，你必須選擇一個(gè)最佳大小的安全內(nèi)存。然而，無(wú)論你選擇什么尺寸，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，它幾乎肯定是不夠的。”

　　他說(shuō)，其安全庫(kù)密鑰管理方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)使用AES加密，還可以要求用初始向量作為算法輸入。“這個(gè)初始向量就像一個(gè)額外的128位密碼，使用PUF-key執(zhí)行任何安全操作都需要這個(gè)密碼。有了這個(gè)密碼，無(wú)論人工還是在芯片上運(yùn)行的應(yīng)用程序都可以用它實(shí)現(xiàn)密鑰的雙重認(rèn)證。”

　　“作為一個(gè)額外的保護(hù)層，我們?cè)诎踩珟?kù)技術(shù)中加入了一個(gè)復(fù)雜的篡改保護(hù)方案，如果檢測(cè)到篡改，可以銷毀PUF重建數(shù)據(jù)”。一旦重建數(shù)據(jù)被銷毀，所存儲(chǔ)的關(guān)鍵信息就再也不能被訪問(wèn)。這樣做可以有效地凍結(jié)設(shè)備，因?yàn)檫@種情況下任何加密算法都不會(huì)被執(zhí)行，甚至安全啟動(dòng)也會(huì)被阻止。

　　SiliconLabs選擇了市場(chǎng)上公認(rèn)的最可靠的PUF技術(shù)，并將其功能限制在只為一個(gè)KEK提供打包或解包關(guān)鍵信息的密鑰。這個(gè)密鑰可以通過(guò)雙重驗(yàn)證密碼來(lái)進(jìn)一步保護(hù)。Dow補(bǔ)充說(shuō)，“此外，我們提供多個(gè)篡改保護(hù)源，可以摧毀PUF密鑰，使其無(wú)法解密任何受其保護(hù)的其它密鑰。即使黑客們投入大量時(shí)間和資源對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并恢復(fù)KEK，他們也只能攻克一個(gè)設(shè)備。