7、物理不可克隆函数（PUF）：硬件安全的前沿探索

物理不可克隆函数（PUF）：硬件安全的前沿探索

1. 历史背景与初步概念

物理不可克隆函数（PUF）的概念起源于人们对物品认证的需求。最初，Gustav Simmons等人利用不可克隆结构的特性进行纸张认证，将公钥密码学与衍生指纹相结合。随后，Pappu等人详细阐述了对不可克隆结构进行指纹识别的想法，并定义了PUF这一术语。

早期，在货币制造中，人们利用材料物理性质的随机排列进行认证，如小光纤。而2002年出现的第一个实用微电子电路，引发了研究人员对PUF的兴趣。

随着计算设备复杂度的不断增加，设计强大的安全系统变得极具挑战。现代电子设备可能包含数十亿个晶体管，为这样复杂的系统提供安全保障变得十分困难。PUF利用现实世界中固有的随机无序性或熵，能够生成独特的挑战 - 响应（CRP）对，类似于人类的指纹。这种内在的随机性使得PUF在生成安全密钥和抵御安全攻击方面具有独特的优势。

2. 硬件保护的必要性

硬件层是抵御安全攻击的第一道防线，它定义了数据位在网络介质上的传输接口和机制。同时，硬件层对于高层功能的安全至关重要，也是硬件攻击的首要目标。

• 物联网设备的物理攻击 ：如今，数十亿的计算设备连接到互联网，物联网设备无处不在。这些设备的广泛存在使得攻击者更容易获取芯片并进行针对性攻击，如逆向工程设计、提取机密信息或植入病毒。
• 硬件木马 ：半导体芯片的生产采用跨国分布式商业模式，这虽然降低了成本，但也增加了安全风险。芯片制造商可能会伪造IC、过度生产芯片，并出售设计和布局的商业机密。此外，供应链的复杂性使得黑客容