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定义
Butterfly PUF（即蝶形物理不可克隆函数）是一种用于现场可编程门阵列（FPGA）的先进安全措施。它利用集成电路的固有物理特性，为硬件设计提供了一种独特的保护方法。对于FPGA IP供应商而言，Butterfly PUF尤为重要，因为它能提供一种抵御各类攻击（包括侵入式攻击）的强大解决方案。
FPGA 通常需要将编程比特流存储在芯片外部的非易失性存储器（NVM）中，这使其容易受到攻击。如果攻击过程中密钥泄露，基于 NVM/熔丝的传统加密方案可能会被破解。Butterfly PUF 通过生成易失性且仅在需要时派生的密码密钥来解决这一漏洞，从而无需将其存储在 NVM 中。这确保了当芯片断电时，攻击者将无法获取任何可资利用的密钥。
Butterfly PUF 是如何工作的？
Butterfly PUF的概念核心在于在 FPGA 矩阵中构建结构，以模拟SRAM 细胞在启动阶段的行为。Butterfly PUF的核心是一个交叉耦合的双稳态电路，该电路可在稳定进入其可能的稳定状态之一之前，先被置于不稳定状态。以下是其工作原理的详细解析：
- 初始化：Butterfly PUF电路由两个锁存器组成，其输出端相互耦合。当激励信号置为高电平时，电路将进入不稳定工作点，此时两个锁存器的输入和输出端均呈现相反的信号。
- 稳定：经过几个时钟周期后，激励信号被设为低电平，使电路稳定在输出信号的两种可能稳定状态之一，即0或1。最终的稳定状态由连接导线的微小延迟差异决定，这些导线是利用FPGA矩阵上的对称路径设计的。这些差异完全基于集成电路的固有物理特性，因器件而异，也因在FPGA 上的位置不同而有所差异。随着时间的推移以及在宽温度范围内，相同的FPGA 、锁存器位置和布线 资源往往会产生相同的稳定状态，从而提高了可靠性。
- 硅指纹：来自一系列 Butterfly 单元的稳定值可产生高度随机且可重复的模式，该模式对每个芯片而言都是独一无二的。
- Butterfly PUF 密钥： 硅指纹被转换为密钥，该密钥构成了安全子系统的基础。将指纹转换为加密密钥所需的处理过程包括：
- 纠错：为确保可靠性，采用纠错机制来处理上电模式中的任何不一致情况。这确保了每次为 SRAM 上电时，都能够准确重现加密密钥。
- 隐私放大：为了确保随机性，采用隐私放大机制来处理上电模式中的任何非随机性或偏置。这可确保加密密钥完全不可预测。
Butterfly PUF 有哪些优点？
Butterfly PUF 具有多项显著优势，特别是在提升FPGA 设计的安全和可靠性方面。以下是一些主要优势：
- 增强安全性：Butterfly PUF 可生成易失性加密密钥，且仅在需要时衍生，确保任何密钥都不会存储在非易失性存储器中。这使其具备极强的抗入侵攻击能力。
- 唯一标识： 由于集成电路固有的物理特性，每个 “蝴蝶”PUF都是独一无二的，从而为设备识别提供了一种可靠的方法。
- 可靠性：Butterfly PUF 的稳定状态在时间上以及在各种温度范围内均保持一致，从而确保了其可靠的性能。
- 无需未初始化的 SRAM：与 SRAM PUF 不同，Butterfly PUF 不需要未初始化的 SRAM，从而扩大了其在不同 FPGA 系列中的适用性。
- 高效实现：Butterfly PUF可在多种FPGA平台上实例化，为各种应用提供灵活且通用的解决方案。
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Butterfly PUF与新思科技
新思科技一直处于为FPGA开发PUF产品的前沿，这些产品旨在满足航空航天承包商和政府机构对安全 及可靠性提出的严格要求。我们的 Butterfly PUF 解决方案旨在为硬件设计提供强大的保护，确保敏感 IP 免受各种攻击。
通过利用Butterfly PUF的独特特性， 新思科技 为FPGA 的IP供应商提供了一种可靠且安全的方法来保护其设计。我们的解决方案专为应对最严苛的安全挑战而打造，让客户高枕无忧。
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