MCU利用PUF技术弥补私钥安全缺口

PUF成为器件级安全策略新趋势

越来越多集成电路厂商转向物理不可克隆函数（PUF）作为器件级安全策略。半导体工艺虽高精度，但每个硅芯片仍存在微小固有随机变化。PUF捕捉这些变化生成唯一数字值作为密钥——现代密码系统的核心组件。

IoT安全挑战

安全已成连接设备（IoT）开发者首要关注。黑客和数据泄露威胁全球数百万部署设备的完整性和隐私。

为IoT设备添加强健安全极具挑战：厂商必须避免增加硅面积或成本，同时保持超低功耗和高效处理。PUF通过消除专用密钥存储硬件解决这些约束。

PUF工作原理

PUF电路无需永久电源。任何物理探测密钥的尝试都会改变电路特性，导致输出值不同。因此，密钥按需为加密操作生成，随即擦除，几乎无法提取。

因PUF可替代传统密钥保险库，它们降低物料清单（BOM）复杂度，同时提供与安全SRAM相当的防篡改保护。虽PUF alone不保证绝对密钥安全，但大幅降低嵌入式设备攻击面。

近期产品案例

Maxim Integrated和Silicon Labs近期产品发布展示PUF如何集成进安全微控制器和SoC方案。Silicon Labs Wireless Gecko Series 2 SoC采用基于SRAM的PUF生成设备唯一对称密钥。Maxim MAX32520 ChipDNA安全ARM Cortex-M4 MCU嵌入PUF生成ChipDNA密钥，用于加密非易失性存储、保护固件、实现安全启动。

Maxim发言人告诉EE Times，MAX32520“不限于IoT，也服务于工业、医疗、计算应用。”其架构含串行闪存仿真、芯片屏蔽、篡改检测电路。支持强健加密原语——SHA-512、ECDSA-P521、RSA-4096——并利用ChipDNA密钥加密所有存储数据（含用户固件），保护知识产权。

Maxim ChipDNA微控制器简化框图（图片：Maxim Integrated）

ChipDNA也可作为ECDSA签名的私钥。MAX32520提供符合FIPS/NIST的真随机数生成器、环境监测、篡改检测，共同构建强健系统级安全栈。任何观察或探测ChipDNA电路的尝试都会修改其特性，挫败逆向工程。

Mike Dow，Silicon Labs

Silicon Labs的SRAM PUF应用

Silicon Labs物联网安全高级产品经理Mike Dow解释公司如何在Secure Vault和安全元件技术中采用基于SRAM的PUF。SRAM PUF利用上电时SRAM位的固有随机性生成单一设备唯一对称密钥。团队选择SRAM PUF因其拥有最长经验证可靠记录——对可能在现场运行十年以上的设备至关重要。

Silicon Labs设计中，PUF专用于生成密钥加密密钥（KEK），用于包装存储在内部或外部存储器中的其他密钥。因KEK仅在上电复位时激活，其暴露窗口极小，减少攻击面。KEK重构仅在POR事件发生，进一步限制访问。

Silicon Labs设计中，除密钥加密密钥外，所有其他密钥生成由符合NIST的真随机生成器（TRNG）执行。（图片：Silicon Labs）

所有非KEK密钥材料由符合NIST的TRNG生成并用AES-256加密包装。256位密钥结合差分功耗分析（DPA）侧信道防护，确保AES实现抵御高级加密攻击。密钥材料（含ECC私钥/公钥身份密钥对）存储在一次性可编程（OTP）存储器中，即使设备物理受损仍保密。

在内部或外部存储器中安全存储海量密钥材料的能力，是实现需要多个非对称密钥对的复杂云安全方案的决定性优势。明文存储密钥将需要物理安全存储器，成本高且难保护。

PUF创建秘密、随机、唯一密钥；PUF密钥在启动时生成加密安全密钥存储中的所有密钥，不存储在闪存中。（图片：Silicon Labs）

Silicon Labs通过要求初始向量（IV）输入AES算法增强安全保险库。IV如同额外128位密码，实现双因子认证——由人工操作员或芯片上运行的另一应用——访问密钥。

此外，安全保险库包含复杂篡改保护方案：检测到篡改事件可擦除PUF重构数据。一旦擦除，存储密钥材料变得不可访问，有效“变砖”设备，阻止任何进一步加密操作（含安全启动）。

通过选择市场上最可靠PUF技术并将其角色限制为生成单一KEK，Silicon Labs确保即使攻击者攻破设备，影响也仅限于该设备。额外篡改保护源可销毁PUF密钥，使所有包装密钥失效。结合双因子认证和强健AES实现，该策略为连接设备提供强大分层安全。