PUF 基础知识

物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function）入门

什么是 PUF

PUF（Physical Unclonable Function，物理不可克隆函数）是一种利用芯片制造过程中产生的物理差异来生成唯一"指纹"的技术。

每一颗芯片在制造时，即使设计完全相同，由于掺杂浓度、线宽偏差、氧化层厚度等工艺参数的微观随机波动，其物理特性也存在细微差异。PUF 就是利用这种天然的物理随机性来产生芯片独有的标识或密钥。

SRAM PUF输出一个与芯片唯一绑定的根密钥，作为信任根，提供芯片、设备的身份识别、认证、追踪、管控，提供其他密钥的安全存储。

可以在一定程度上增强设备安全性。

SRAM（静态随机存储器）在上电瞬间，每个存储单元会随机进入 0 或 1 的状态。这种随机性来源于 CMOS 工艺中晶体管的阈值电压失配。

理想情况下，SRAM 上电数据应该是完全随机的 50% 概率分布，但由于芯片制造过程中引入的固定偏差，某些单元会有固定的倾向（偏向 0 或偏向 1），这些"偏差"构成了 PUF 的物理指纹。

关键在于：

BER（Bit Error Rate）即比特错误率，指 SRAM 上电数据中，与参考值（注册时采集的原始数据）不一致的比特所占比例。

例如：注册时采集到某比特为 1，重建时同一地址读出来是 0，则发生了一次比特错误。

根据实测数据，真实 MCU 的 SRAM 相邻采样之间稳定位比例约为 78% ~ 82%，折合 BER 约 10%。温度变化、电压波动、老化会增高 BER，达到20%。

传统 PUF 方案要求 BER ≤ 25%，HonPUF 可容忍高达 47% 的 BER。

FRR（False Rejection Rate）即错误拒绝率，指合法的 PUF 注册数据在重建时因噪声导致纠错失败、被错误拒绝的概率。FRR 与 BER 正相关，BER 越高，纠错失败的几率越大。在 PUF 应用中，FRR 通常通过增加纠错冗余来降低，但这会牺牲提取比。

提取比指从原始 SRAM 数据中能够提取出的有效密钥比特占总比特数的比例。提取比与 BER 容忍能力是一对 trade-off：容忍的 BER 越高，需要的纠错冗余越大，提取比就越低。HonPUF 在容忍 47% BER 的极端噪声下，仍可通过优化的纠错设计维持一定的提取比。

BER、FRR、提取比三者相互制约：纠错冗余（ECC）是连接三者的核心杠杆——增加冗余可降低 FRR、提高 BER 容忍度，但会降低提取比。HonPUF 提供多种布局，在不同取舍点上取得最佳平衡。

上图示意了不同提取比下 FRR 随 BER 变化的趋势：提取比越低（纠错冗余越大），曲线越往右偏移，能在更高的 BER 下维持较低的 FRR。HonPUF 的 9 种布局覆盖了从 12.5% 到 0.038% 的提取比范围，可根据目标 BER 和 FRR 要求灵活选型。

除了增大冗余，更好的纠错方案本身也能把曲线右移——在相同提取比下，级联码的重试次数越多，纠错越充分，同等 BER 下的 FRR 越低。HonPUF 的级联码支持可配置重试次数，例如重试 256 次的效果远优于不重试，让同一条曲线进一步右移。