PUF安全晶片解讀：實體不可複製功能如何實現硬體式資料安全與防竄改資料保護– Luisuantech

在當今超互聯的數位環境中，物聯網設備、邊緣運算節點和雲端基礎設施每秒交換PB級的敏感資料，傳統的網路安全方法越來越暴露。基於軟體的加密曾經被認為足夠，但現在在複雜的側信道攻擊、韌體篡改和硬體級逆向工程的壓力下步履蹣跚。企業正在轉向一種新的範式：PUF安全晶片不是作為附加元件，而是作為信任的基礎層。實體不可複製功能（PUF）植根於半導體製造的不可變物理原理，為實現真正的基於硬體的資料安全和強大的防篡改資料保護提供了途徑。

為什麼傳統的安全模型已經不夠用了

幾十年來，加密金鑰一直儲存在非揮發性記憶體中，例如EEPROM、快閃記憶體或安全元件。當靜態加密時，這些金鑰仍然物理存在於晶片上，這使得它們很容易透過微探測、雷射故障注入或功率分析進行提取。即使是可信任平台模組（TPM）雖然更安全，但也依賴預先編程的秘密，如果硬體被物理存取，這些秘密可能會受到損害。

供應鏈攻擊的興起進一步削弱了信心。假冒組件、後門韌體和克隆設備在未被發現的情況下滲透到網路中。在這樣的環境中，不能假設信任——它必須在硬體層面得到證明。這就是PUF重新定義身份和保密概念的地方。

PUF的工作原理：晶片獨特的實體指紋

不可克隆背後的科學

PUF利用了半導體製造過程中引入的固有隨機性。在奈米尺度上，電晶體柵極氧化層厚度、摻雜濃度或互連延遲的變化是不可避免的，即使在由同一晶圓生產的晶片中也是如此。這些微觀差異為每個晶粒創造了獨特的電氣行為曲線。

與序號或刻錄密鑰不同，此“指紋”不會存儲在任何地方。只有當電路通電並受到挑戰時，它才會出現。這意味著攻擊者無需複製、克隆或提取任何內容，即使對晶片具有完全的實體存取權限。

質詢-回應身份驗證的實際應用

PUF透過挑戰-回應通訊協定.當加密系統需要金鑰或身分證明時，它會向PUF電路發送數位「挑戰」（例如，特定的輸入模式）。晶片的物理結構處理此輸入並傳回確定性但不可預測的「回應」。

至關重要的是，金鑰永遠不會被存儲——它是根據設備的物理屬性按需重新產生的。這種動態生成確保即使攻擊者觀察到一個響應，如果沒有完全相同的物理硬件，他們也無法預測未來的響應。這就是防篡改資料保護的本質：斷電時秘密就會消失。

PUF與傳統金鑰儲存：安全性比較

容貌	傳統金鑰儲存	基於PUF的安全性
金鑰持續性	儲存在NVM中（例如快閃記憶體、EEPROM）	按需生成;從未儲存
可克隆性	如果存取記憶體，則可以複製金鑰	由於製造隨機性，物理上無法克隆
防篡改性	中等的;需要額外的屏蔽	本質上很高;無需提取靜態秘密
側通道漏洞	金鑰使用期間高	減少;記憶體中沒有持續性索引鍵
信任根	依賴預先佈建的密碼	源自物理獨特性

PUF在企業IT中的實際應用

可信啟動和韌體完整性

PUF最關鍵的用途之一是建立安全啟動的硬體信任根。在系統初始化期間，PUF會產生一個唯一金鑰，用於驗證引導程式和作業系統核心的數位簽章。如果韌體已更改（即使更改了一位），簽名檢查也會失敗，從而停止啟動過程。這提供了針對引導套件或供應鏈植入等持久性惡意軟體的鐵定防篡改資料保護。

物聯網和邊緣網路中的裝置身分識別

在大規模物聯網部署中，確保每個感測器或閘道器都是正品是不容談判的。PUF為每個設備分配一個源自其芯片的加密強大、不可偽造的身份。這消除了克隆或欺騙設備加入網路的風險——這是工業間諜活動和DDoS殭屍網路招募中的常見媒介。

保護高效能運算基礎設施

AI、基因體學和財務建模中的加速工作負載需要速度和安全性。將PUF整合到硬體加速器中可確保專有演算法和訓練資料受到保護，即使在共享或多租戶環境中也是如此。

將LightBoat 2300系列FPGA加速器卡比如。它專為HPC和AI推理而設計，利用PUF將智慧財產權綁定到實體硬體。這可以防止自訂邏輯的逆向工程，並確保以線速處理的敏感資料仍受到硬體型資料安全機制的保護，這些機制在開機時處於活動狀態。

同樣地，LST H5000超融合一體機系統在每個節點中嵌入PUF，以驗證節點間通訊。在運算、儲存和網路緊密整合的超融合基礎設施中，這保證了只有授權的硬體才能參與叢集，從而阻止惡意節點洩露資料或中斷操作。

現代資料中心中的PUF：儲存和分散式系統

具有牢不可破的金鑰管理的自我加密磁碟機

全閃存陣列提供驚人的IOPS，但它們的速度也會放大違規的影響。加密靜態資料是標準，但加密金鑰本身必須受到保護。傳統的金鑰管理器將金鑰儲存在軟體或硬體保險庫中，仍然容易被提取。

這LST F3100全快閃儲存系列整合PUF以直接在儲存控制器內產生和管理加密金鑰。金鑰永遠不會寫入持續性記憶體;它們只會在作用中的I/O作業期間存在。即使攻擊者物理移除了SSD，資料仍然無法以加密方式存取，從而為關鍵任務資料庫和企業應用程式提供真正的防篡改資料保護。

大規模保護分散式檔案系統

在高效能運算叢集中，Lustre或GPFS等檔案系統跨越數百個節點。確保只有合法的儲存和元資料伺服器參與對於防止資料中毒或中間人攻擊至關重要。

這PURLIN平行檔案系統利用PUF對叢集中的每個節點進行身份驗證。在進行任何資料交換之前，節點會驗證彼此的PUF衍生身分。這在整個分散式架構中建立了硬體強制信任邊界，從而增強了資料身分驗證和系統範圍內的硬體型資料安全性。

關於PUF技術的常見問題

PUF在時間和溫度變化下可靠嗎？

是。現代PUF實作使用糾錯碼（ECC）和輔助資料演算法來確保在環境噪音下仍能保持一致的回應。例如，SRAM PUF在工業溫度範圍（-40°C至+85°C）和超過10+年的運行時間內表現出>99.9%的穩定性。PUF可以與後量子密碼學一起使用嗎？

完全。PUF與加密算法無關。它們安全地產生和保護基於晶格、基於雜湊或基於程式碼的後量子方案使用的金鑰，使其成為抗量子安全架構面向未來的基礎。PUF是否會增加顯著的延遲或功耗？

最小。大多數PUF電路消耗微瓦並以微秒為單位運行。在LightBoat 2300 FPGA卡等系統中，PUF啟動僅在啟動或金鑰派生期間發生，不會對資料處理工作負載造成執行時效能損失。

未來之路：PUF作為零信任的新標準

隨著組織採用零信任架構，「從不信任，始終驗證」的原則必須延伸到晶片。PUF提供了唯一已知的方法，以一種可證明的唯一且從根本上不可克隆的方式將數字身份綁定到物理對象。

NIST和IEEE等行業標準機構正在積極將PUF納入安全準則。同時，領先的半導體供應商現在提供PUF IP區塊以及ARM TrustZone或RISC-V安全擴展，使整合比以往任何時候都更容易。

對於評估下一代基礎設施的企業來說，問題不再是如果採用PUF，但哪裡若要先部署它：在邊緣裝置、加速器、儲存控制器或網路結構中。目標保持不變——將基於硬件的數據安全性嵌入得如此之深，以至於篡改在物理上變得不可能，而不僅僅是計算困難。

在數據是終極資產的世界中，PUF確保信任不是始於代碼，而是始於芯片本身的原子。