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Butterfly PUF（Butterfly Physical Unclonable Function）は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）で使用される高度なセキュリティ対策です。これは、集積回路が本来持つ物理的特性を活用することで、ハードウェア設計を保護する独自の方法を提供します。Butterfly PUFは、FPGA のIPベンダーにとって特に重要であり、侵入型攻撃を含むさまざまな種類の攻撃に対して堅牢なソリューションを提供します。
FPGAでは、プログラミング用ビットストリームをチップ外部の不揮発性メモリ （NVM）に保存する必要があることが多く、そのため攻撃に対して脆弱になりがちです。 NVMやヒューズに基づく従来の暗号化ソリューションは、攻撃の際に秘密鍵が漏洩すると破られる可能性があります。Butterfly PUFは、揮発性であり、必要な時にのみ生成される暗号鍵を使用することでこの脆弱性に対処し、NVMへの保存を不要にします。これにより、チップの電源が切られた際、攻撃者が悪用できる鍵が一切存在しないことが保証されます。
Butterfly PUFはどのように機能するのでしょうか？
Butterfly PUFのコンセプトは、起動フェーズにおけるSRAMセルの挙動を模倣する FPGA マトリックス内に、起動段階におけるSRAMセルの挙動を模倣する構造を構築することにあります。バタフライPUFの中核をなすのは、相互結合された双安定回路であり、これは不安定な状態を経た後、考えられる安定状態のいずれかに安定化します。その動作の詳細な解説は以下の通りです：
- 初期化：バタフライPUF回路は、出力が相互に結合された2つのラッチで構成されています。励起信号が「ハイ」に設定されると、回路は不安定な動作点に移行し、両方のラッチの入力と出力に反対の信号が現れます。
- 安定化： 数クロックサイクル後 、励起信号が「L」に設定され、これにより回路は出力信号において「0」または「1」の2つの安定状態のいずれかに安定します。 最終的な安定状態は、接続配線の遅延におけるわずかな違いによって決定されます。これらの配線は、FPGA マトリックス上の対称的な経路を用いて設計されています。このばらつきは、集積回路固有の物理的特性のみに起因するものであり、デバイスごとに、またFPGA 上の位置によって異なります。時間の経過や広い温度範囲にわたって、同じFPGA 、ラッチ位置、および配線リソースを使用することで、同じ安定状態が得られる傾向があり、これにより信頼性が向上します。
- シリコンフィンガープリント： さまざまなバタフライセルから得られた安定化された値が 、各チップごとに固有の、極めてランダムかつ再現性の高いパターンを形成します。
- 「バタフライ PUF」の解説： シリコンフィンガープリントは、セキュリティサブシステムの基盤となる秘密鍵に変換されます。フィンガープリントを暗号鍵に変換するために必要な処理は、以下の通りです。
- エラー訂正： 信頼性を確保するため 、電源投入時のパターンにおける不整合に対処するエラー訂正メカニズムが採用されています。これにより、SRAMの電源投入のたびに暗号鍵を正確に再現できることが保証されます。
- プライバシー増幅：ランダム性を確保するため 、電源投入時のパターンに非ランダム性や偏りが生じた場合に備え、プライバシー増幅メカニズムが採用されています。これにより、暗号鍵が完全に予測不可能であることが保証されます。
「バタフライPUF」のメリットは何ですか？
Butterfly PUFには、特にFPGA の設計におけるセキュリティと信頼性の向上という点で、いくつかの大きな利点があります。主な利点は以下の通りです：
- セキュリティの強化：Butterfly PUFは、揮発性であり、必要なときにのみ生成される暗号鍵を生成するため、不揮発性メモリ に鍵が保存されることはありません。これにより、侵入型攻撃に対して極めて高い耐性を発揮します。
- 一意の識別：各 Butterfly PUFは、集積回路固有の物理的特性により一意であり、デバイスを識別するための堅牢な手段を提供します。
- 信頼性：Butterfly PUFの安定状態は、時間の経過やさまざまな温度範囲にわたって一貫しており、信頼性の高い性能を保証します。
- 初期化されていないSRAMは不要：SRAM PUFとは異なり、Butterfly PUFは初期化されていないSRAMを必要としないため、さまざまなFPGA ファミリーにわたって適用範囲が広がります。
- 効率的な実装：バタフライ PUFは 、幅広い種類のFPGA上でインスタンス化できるため、さまざまなアプリケーションに対応できる汎用性の高いソリューションとなっています。
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バタフライPUFと シノプシス
シノプシス 当社は、航空宇宙関連の請負業者や政府機関が求める厳しいセキュリティおよび信頼性の要件を満たすよう設計された、FPGA向けPUF製品の開発において、常に最前線に立ってきました。当社の「Butterfly PUF」ソリューションは、ハードウェア設計を強固に保護するよう最適化されており、機密性の高い知的財産（IP）をさまざまな種類の攻撃から確実に守ります。
バタフライPUFの独自の特性を活用することで、 シノプシス FPGA のIPベンダーに対し、設計を保護するための信頼性が高く安全な手法を提供します。当社のソリューションは、最も厳しいセキュリティ上の課題にも耐えうるよう設計されており、お客様に安心をお届けします。
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「Discover」 シノプシス PUF IP
シノプシス は、物理的複製不可能な機能（PUF）技術に基づく組み込みシステム向け「セキュリティIP 」を提供する、世界トップクラスのプロバイダーです。
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