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定義
Butterfly PUF（即 Butterfly 物理不可克隆函數）是一種應用於現場可程式閘陣列（FPGA）的先進安全措施。它透過利用積體電路的固有物理特性，提供了一種保護硬體設計的獨特方法。對於FPGA IP供應商而言，Butterfly PUF 尤為重要，因為它能提供強健的解決方案，以抵禦各類攻擊，包括侵入性攻擊。
FPGA 通常需要將其編程位元流儲存於晶片外部的非揮發性記憶體（非揮發性記憶體 , NVM）中，這使得它們容易受到攻擊。 若在攻擊過程中機密金鑰遭洩露，基於 NVM／熔絲的傳統加密解決方案便可能遭到破解。Butterfly PUF 透過生成易失性加密金鑰來解決此一漏洞，這些金鑰僅在需要時才被產生，因此無需儲存於 NVM 中。這確保了當晶片斷電時，攻擊者將無法取得任何可供利用的金鑰。
Butterfly PUF 是如何運作的？
「蝴蝶 PUF」的概念核心在於於 FPGA 矩陣中建立結構，以模擬 SRAM 儲存單元在啟動階段的行為。蝴蝶型 PUF 的核心是一個交叉耦合的雙穩態電路，該電路可在穩定於其可能的穩定狀態之一之前，先被帶入不穩定狀態。以下是其運作原理的詳細解析：
- 初始化：蝴蝶型 PUF 電路由兩個輸出端相互耦合的鎖存器組成。當激勵訊號設定為高電平時，電路將進入不穩定工作點，此時兩個鎖存器的輸入與輸出端皆呈現相反的訊號。
- 穩定化：經過 幾個時鐘週期後 ，激勵訊號會被設為低電平，使電路穩定於輸出訊號的兩種可能穩定狀態之一，即 0 或 1。 最終的穩定狀態取決於連接線路延遲的微小差異，這些線路是透過在FPGA 矩陣上採用對稱路徑所設計的。這些差異完全基於積體電路的固有物理特性，且會因元件而異，並受FPGA 上位置的影響。隨著時間推移及在寬廣的溫度範圍內，相同的FPGA 、鎖存器位置及佈線資源通常會產生相同的穩定狀態，從而提升可靠性。
- 矽指紋： 來自一系列「蝴蝶」電極的穩定數值， 形成一種高度隨機且可重複的圖案，且每個晶片皆具有獨一無二的特徵。
- 蝴蝶 PUF 關鍵： 矽指紋會被轉化為一組密鑰，此密鑰構成了安全子系統的基礎。將指紋轉化為加密密鑰所需的處理流程包含：
- 錯誤校正：為 確保可靠性，會採用錯誤校正機制來處理上電模式中的任何不一致情況。這可確保每次 SRAM 上電時，都能準確重現加密金鑰。
- 隱私增強：為 確保隨機性，會採用隱私增強機制來處理上電模式中的任何非隨機性或偏倚。這可確保加密金鑰完全無法預測。
Butterfly PUF 有哪些優點？
Butterfly PUF 具備多項顯著優勢，特別是在提升FPGA 設計的安全性與可靠性方面。以下是其中幾項關鍵優勢：
- 強化安全性：Butterfly PUF 所產生的加密金鑰具有易失性，且僅在需要時才進行導出，確保不會將任何金鑰儲存於非揮發性記憶體 中。這使其具備極高的抗侵入式攻擊能力。
- 唯一識別碼： 由於積體電路的固有物理特性，每顆 Butterfly PUF 皆具有獨一無二的特性，因此能提供一種可靠的裝置識別方法。
- 可靠性：Butterfly PUF 的穩定狀態在時間上及不同溫度範圍內均保持一致，確保了可靠的性能。
- 無需未初始化的 SRAM：與 SRAM PUF 不同，Butterfly PUF 無需未初始化的 SRAM，因此能擴大其在不同FPGA 系列中的應用範圍。
- 高效實作：蝴蝶型 PUF 可在多種 FPGA 系列上進行實例化，使其成為適用於各類應用的多功能解決方案。
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蝴蝶 PUF 以及 新思科技
新思科技 一直處於開發適用於 FPGA 的 PUF 產品的前沿，旨在滿足航太承包商及政府機關嚴格的安全與可靠性要求。我們的 Butterfly PUF 解決方案專為提供硬體設計的強大保護而量身打造，確保敏感的智慧財產權能免受各類攻擊的威脅。
透過善用蝴蝶型 PUF 的獨特特性， 新思科技 為FPGA 的IP供應商提供了一種可靠且安全的設計保護方案。我們的解決方案專為應對最嚴苛的安全挑戰而打造，讓客戶能高枕無憂。
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