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物理的複製不可能な関数（PUF）とは、所定の入力および条件（チャレンジ）に対して、物理的に定義された「デジタル指紋」という出力（レスポンス）を生成し、一意の識別子として機能するあらゆる物理的対象を指す。最も一般的な例としては、マイクロプロセッサなどの半導体デバイスが挙げられる。
ここでは、PUFの中でも最もよく知られているサブセットである、シリコンPUFに焦点を当てます。その名称が示す通り、この種のPUFはシリコンからインスタンス固有の測定値を取得します。つまり、これらのPUFは 集積回路（IC）。
サブミクロンレベルの微細な製造プロセスのばらつきにより、IC内のすべてのトランジスタは、物理的特性がわずかに異なります。これらのばらつきは、トランジスタのしきい値電圧や利得係数といった電子的特性に、わずかではあるものの測定可能な差異をもたらします。製造工程においてこれらのプロセスばらつきを完全に制御することはできないため、デバイスのこうした物理的特性を複製したりクローン化したりすることはできません。
こうした固有のばらつきを活用することで、PUFは特定のICを一意に識別する手段として非常に有用です。これは、IC内部の回路が、ごくわずかなばらつきを0と1からなるデジタルパターンに変換することで実現されます。このパターンは、その特定のチップに固有のものであり、長期にわたって再現可能です。このパターンは「シリコン指紋」と呼ばれ、人間の生体認証に例えることができます。
物理的複製不可能な関数（PUF）はどのように機能するのでしょうか？
セキュリティおよび識別目的でPUFを活用するには、シリコンフィンガープリントを暗号鍵に変換する極めて特殊なアルゴリズムが用いられます。この鍵はその個々のチップに固有のものであり、そのチップのルート鍵として使用されます。 ルートキーは、システムが必要とするたびにPUFから確実に再構築されるため、いかなる形式のメモリにもキーを保存する必要がありません。デバイスの電源がオフの状態では、いかなる形式のメモリにも秘密鍵は存在しません。事実上、ルートキーは攻撃者からは「見えない」状態であり、これによりPUFを用いた鍵の保存は非常に安全なものとなります。
したがって、PUFの実装には、シリコンフィンガープリントを暗号用ルートキーに変換するための処理アルゴリズムが必要となります。これは、シリコンフィンガープリントが測定ごとにわずかなノイズを含むためです。つまり、製造プロセスに固有のばらつきに加え、電子的特性は温度や電源などの周囲条件の影響も受けるからです。 したがって、優れたPUFの実装では、このノイズの多いフィンガープリントを、暗号鍵として成立させるために、完全に安定し、完全にランダムな0と1の文字列に変換する必要があります。この目的のために、ほとんどのPUF実装では以下の2つのプロセスを用いています：
- PUFを測定するたびに、導出される鍵が常に同一となるよう、誤差補正を行う
- プライバシー増幅：フィンガープリントを、0と1からなる完全にランダムな文字列に変換する
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物理的複製不可能な関数の利点
PUF技術を採用するメリットは以下の通りです：
- 高いセキュリティ：PUF 技術は 、デバイスのルートキーが永続メモリに保存されることがないため、高いレベルのセキュリティを実現します。これにより、ルートキーは複製不可能であり、攻撃者からは検知されません。この技術は、米国国防総省、複数のEU加盟国政府、および認証機関などによって、厳格なテストと認証を受けています。
- 高い柔軟性：PUF技術は、デバイスへの外部からの鍵注入を不要にするため、非常に高い柔軟性を備えています。これにより、この注入作業を信頼できる第三者に依頼する必要がなくなるだけでなく、デバイスのライフサイクルのどの段階でも鍵のプログラミングが可能になるため、サプライチェーンが大幅に簡素化されます。PUF技術は標準的なCMOS技術であり、あらゆるファウンドリやプロセスノード技術と併用できるため、設計者は対象とするノードに関係なく、セキュリティアーキテクチャを再利用することができます。
- 低コスト：PUF技術では 、専用のセキュリティハードウェア（物理的に保護されたメモリなど）やチャージポンプのような高価な部品を必要としないため、従来の鍵保護手法に比べて非常に低コストで実現できます。また、鍵はデバイス内部で安全に導出されるため、信頼できる施設でデバイスに鍵をプロビジョニングするための従来のコストも発生しません。
この技術の用途は、低コストかつ柔軟な実装が大きなメリットとなるIoTセキュリティ向けのPUFから、最高レベルのセキュリティを実現できることを実証している航空宇宙・政府機関向けのPUFに至るまで多岐にわたります。
物理的に複製不可能な関数および シノプシス
シノプシス 業界をリードするPUF IPソリューションを提供しており、その内容は以下の通りです：
- シノプシス PUF IPは、世界トップクラスの認証済みPUF IPソリューションであり、デバイスメーカーや設計者が、デバイス内部で生成されたそのデバイス固有の暗号鍵を用いて製品のセキュリティを確保することを可能にします。
- シノプシス AP PUF IPは、 ISO 26262 機能安全に準拠した開発フローに従って開発されたPUF IPのバリエーションであり、ISO 26262 の自動車用安全完全性レベル（ASIL）Bの故障メトリクスを満たしています。
- シノプシス PUF IP – Softwareは、PUF技術を提供する組み込みソフトウェアソリューションであり、ハードウェアセキュリティをシリコン製造から切り離すことで、その利用を広く普及させ、IoTアプリケーション開発者が大規模にこの技術にアクセスし、理解し、実装できるようにします。
- シノプシス PUFFPGA-X は、Butterfly PUF と シノプシス PUFヘルパーデータアルゴリズムを組み合わせ、プログラマブルなFPGA ファブリック上で利用できるようにしたものです。 シノプシス PUF PFGA-XはFPGA 構成ファイルの一部であるため、「ソフトPUF」実装となり、展開済みのデバイスにセキュリティ機能を後付けすることが可能であり、ハードウェアベースのセキュリティをリモートで「ブラウンフィールド」導入できるようになります。
シノプシス 物理的複製不可能な機能（PUF）IP
PUF ベースのセキュリティによる認証の実現
