使用基于環(huán)式振蕩器的物理不可克隆函數(shù)及老化檢測電路的集成電路識別及可靠度驗證的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]各種特征涉及集成電路，且更具體來說，涉及使用基于環(huán)式振蕩器的物理不可克隆函數(shù)及老化檢測電路的集成電路(IC)識別(ID)及IC可靠度驗證。
【背景技術(shù)】
[0002]在計算遍布的時代中，存在與軟件版權(quán)保護(hù)、防偽IC(亦即，芯片)及系統(tǒng)可靠性有關(guān)的大量安全性問題。軟件保護(hù)是用以防止軟件的未經(jīng)授權(quán)復(fù)制到一系列計算機(jī)安全技術(shù)。換言之，軟件必須能夠確定用戶是否經(jīng)適當(dāng)許可以使用軟件，且僅在被許可的情況下執(zhí)行軟件。與軟件保護(hù)有關(guān)的另一問題為如何識別芯片或平臺(軟件在其上執(zhí)行)是否為防偽芯片。防偽芯片已在產(chǎn)業(yè)中激增且成為電子裝置供應(yīng)鏈的風(fēng)險。因此，識別并限制防偽芯片在電子裝置供應(yīng)鏈中的使用至關(guān)重要。
[0003]芯片上物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Funct1n，PUF)是利用IC內(nèi)部的制造工藝變化的芯片唯一質(zhì)詢響應(yīng)機(jī)制。質(zhì)詢與對應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系是通過IC中的邏輯及互連件中的復(fù)雜統(tǒng)計變化來確定?？稍谙惹凹夹g(shù)中發(fā)現(xiàn)IC中的不同PUF實施。舉例來說，基于環(huán)式振蕩器的PUF利用IC的制造工藝變化，所述變化造成相同布局的環(huán)式振蕩器的頻率的隨機(jī)但靜態(tài)的變化。
[0004]圖1說明在先前技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的基于環(huán)式振蕩器的PUF電路102的一個實例的示意框圖。多個環(huán)式振蕩器(R0)104可被同時啟用，且將所述多個RO的輸出發(fā)送至兩個或兩個以上開關(guān)(復(fù)用器)106、108。質(zhì)詢充當(dāng)至開關(guān)106、108的輸入，所述質(zhì)詢使每一開關(guān)106、108接著自所述多個RO 104中選擇單一 R0。發(fā)送至開關(guān)106、108的質(zhì)詢經(jīng)設(shè)計以使得每一開關(guān)106、108選擇不同R0。歸因于半導(dǎo)體層級的輕微制造變化，選中RO各自具有與之相關(guān)聯(lián)的稍微不同諧振頻率，即使每一 RO已試圖使RO相同來制造。PUF輸出響應(yīng)是通過如計數(shù)器110及112所測量/存儲的這些選中環(huán)式振蕩器的頻率的成對比較114產(chǎn)生。舉例來說，如果第一計數(shù)器110檢測高于第二計數(shù)器112的頻率，則可產(chǎn)生邏輯“ 1”，否則可產(chǎn)生邏輯“O”。以此方式，做出的所述比較表示質(zhì)詢/響應(yīng)機(jī)制，其中所選RO對為質(zhì)詢且RO頻率比較結(jié)果為響應(yīng)。
[0005]理想地，選為質(zhì)詢的每一 RO對將產(chǎn)生唯一響應(yīng)。所產(chǎn)生的響應(yīng)不應(yīng)能夠基于質(zhì)詢輸入提前確定。此外，輸入至PUF中的相同質(zhì)詢每次均應(yīng)產(chǎn)生相同響應(yīng)輸出。然而，隨時間過去及使用這些性質(zhì)中的一或多者尤其可能未必適用。舉例來說，隨時間過去，一個RO的頻率可由于過度使用而慢下來，且相同質(zhì)詢輸入可產(chǎn)生不同響應(yīng)輸出(例如，邏輯“I”可轉(zhuǎn)換為“O”)。
[0006]類似上述的電路的基于RO的PUF電路可用以產(chǎn)生芯片識別符號碼。然而，僅依靠僅以此方式產(chǎn)生的芯片識別符號碼的芯片識別安全系統(tǒng)受固有限制。
[0007]由于CMOS工藝技術(shù)繼續(xù)沿著積極擴(kuò)張路圖前進(jìn)，故設(shè)計可靠電路對于每一技術(shù)里程碑來說已變得愈加具有質(zhì)詢性。可靠性問題(例如偏壓溫度不穩(wěn)定性(biastemperature instability，BTI)、熱載子注入(hot carrier inject1n，HCI)及時間相依介電質(zhì)擊穿(time-dependent dielectric breakdown，TDDB))已變得更普遍，因為電場在奈米級CMOS裝置中繼續(xù)增加。這些質(zhì)詢中的最緊迫質(zhì)詢是由PMOS晶體管的S1-S1界面中的講產(chǎn)生造成的負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(negative bias temperature instability，NBTI)。因此，數(shù)字電路降級的精確測量為設(shè)計老化容許電路的關(guān)鍵方面。
[0008]圖2說明在先前技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的IC老化傳感器電路200的示意框圖。兩個RO 202、204的輸出端耦接到確定RO 202與RO 204之間的頻率差fdiff的相位比較器206。第一 RO202(例如，ROstk)為“受應(yīng)力”的，因為第一 RO幾乎始終以供電電壓位準(zhǔn)Vdd stk通電(亦即，第一 RO在連續(xù)操作)，所述供電電壓位準(zhǔn)大于芯片的標(biāo)稱供電電壓VDD。與之對比，第二 RO204(例如，ROkef)通常斷電(亦即，第二 RO不操作)。因而，在需要測量的時間期間，使兩個RO在標(biāo)稱供電電壓Vdd下操作(亦即，打開)，且通過相位比較器206來測量RO 202與RO 204之間的頻率差。隨時間過去，受應(yīng)力RO 202的操作頻率將相對于不受應(yīng)力RO 204的操作頻率減小(亦即，fdiff將增加)。接著可通過分析f <??隨時間增加的量來確定IC老化傳感器電路200的老化，且因此又確定較大電路(傳感器電路200駐留于其上)的老化。
[0009]上述電路中的每一者占用IC的作用表面上的寶貴芯片面積。因此，可提取由PUF安全電路及IC老化檢測器電路提供的益處的具有減小的實施所需芯片面積的經(jīng)改良電路設(shè)計為有價值的。此外，始終需要系統(tǒng)的識別防偽芯片且執(zhí)行芯片健康監(jiān)視(亦即，檢測芯片老化)的增加的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]一個特征提供一種集成電路，其包括:經(jīng)配置以部分地實施物理不可克隆函數(shù)(PUF)的第一多個環(huán)式振蕩器；經(jīng)配置以部分地實施老化傳感器電路的第二多個環(huán)式振蕩器；及耦接到所述第一多個環(huán)式振蕩器及所述第二多個環(huán)式振蕩器的環(huán)式振蕩器選擇電路，其中所述環(huán)式振蕩器選擇電路經(jīng)調(diào)適以選擇來自所述第一多個環(huán)式振蕩器及/或所述第二多個環(huán)式振蕩器中的至少一者的至少兩個環(huán)式振蕩器輸出，且其中所述環(huán)式振蕩器選擇電路通常由所述PUF及所述老化傳感器電路共享。根據(jù)一個方面，所述集成電路進(jìn)一步包括經(jīng)調(diào)適以接收并比較所述兩個環(huán)式振蕩器輸出且產(chǎn)生輸出信號的輸出函數(shù)電路。根據(jù)另一方面，所述第一多個環(huán)式振蕩器及所述第二多個環(huán)式振蕩器包含至少一通常共享環(huán)式振蕩器。根據(jù)又一方面，所述選擇電路包含接收來自所述多個第一環(huán)式振蕩器及所述多個第二環(huán)式振蕩器的輸出的兩個或兩個以上選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)選擇所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出。
[0011]根據(jù)一個方面，所述選擇電路響應(yīng)于由處理電路接收的質(zhì)詢而選擇所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出。根據(jù)另一方面，所述選擇電路響應(yīng)于所述質(zhì)詢而將所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出提供至所述處理電路。根據(jù)又一方面，所述第一多個環(huán)式振蕩器通過以下操作來實施所述物理不可克隆函數(shù):選擇性地啟用所述第一多個環(huán)式振蕩器中的至少兩個環(huán)式振蕩器，其中由所述第一多個環(huán)式振蕩器間的制造變化引起的頻率變化產(chǎn)生唯一識別符。根據(jù)另一方面，選擇性地啟用的所述兩個環(huán)式振蕩器相互離開至少?ομπι而定位。
[0012]根據(jù)一個方面，所述第二多個環(huán)式振蕩器通過以下操作來實施所述老化傳感器電路:使所述第二多個環(huán)式振蕩器中的第一環(huán)式振蕩器連續(xù)地運(yùn)行；使所述第二多個環(huán)式振蕩器中的第二環(huán)式振蕩器維持閑置，除非老化檢測經(jīng)確定；及通過執(zhí)行所述第一環(huán)式振蕩器與所述第二環(huán)式振蕩器之間的差分頻率測量來確定電路老化信息。根據(jù)另一方面，所述第二多個環(huán)式振蕩器的所述第一環(huán)式振蕩器及所述第二環(huán)式振蕩器彼此間的距離不超過1ym0根據(jù)又一方面，所述第二多個環(huán)式振蕩器的連續(xù)運(yùn)行的環(huán)式振蕩器及閑置環(huán)式振蕩器的數(shù)個對是跨所述集成電路的各種部分而分散，以產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)行的環(huán)式振蕩器及閑置環(huán)式振蕩器的所述對所定位于的所述集成電路的所述部分的局部電路可靠性信息。
[0013]另一特征提供一種制造集成電路的方法，所述方法包括:提供經(jīng)配置以部分地實施物理不可克隆函數(shù)(PUF)的第一多個環(huán)式振蕩器；提供經(jīng)配置以部分地實施老化傳感器電路的第二多個環(huán)式振蕩器；提供環(huán)式振蕩器選擇電路；將所述環(huán)式振蕩器選擇電路耦接到所述第一多個環(huán)式振蕩器及所述第二多個環(huán)式振蕩器，其中所述環(huán)式振蕩器選擇電路經(jīng)調(diào)適以選擇來自所述第一多個環(huán)式振蕩器及/或所述第二多個環(huán)式振蕩器中的至少一者的至少兩個環(huán)式振蕩器輸出，且在所述PUF與所述老化傳感器電路之間共享所述環(huán)式振蕩器選擇電路。根據(jù)一個方面，所述方法進(jìn)一步包括:提供經(jīng)調(diào)適以接收并比較所述兩個環(huán)式振蕩器輸出且產(chǎn)生輸出信號的輸出函數(shù)電路。根據(jù)另一方面，所述方法進(jìn)一步包括:在所述第一多個環(huán)式振蕩器與所述第二多個環(huán)式振蕩器之間共享至少一環(huán)式振蕩器。根據(jù)又一方面，所述選擇電路包含經(jīng)調(diào)適以接收來自所述多個第一環(huán)式振蕩器及所述多個第二環(huán)式振蕩器的輸出的兩個或兩個以上選擇開關(guān)，所述選擇開關(guān)選擇所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出。根據(jù)另一方面，所述選擇電路經(jīng)調(diào)適以響應(yīng)于由處理電路接收的質(zhì)詢而選擇所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出。
[0014]根據(jù)一個方面，所述選擇電路經(jīng)調(diào)適以響應(yīng)于所述質(zhì)詢而將所述至少兩個環(huán)式振蕩器輸出提供至所述處理電路。根據(jù)另一方面，所述第一多個環(huán)式振蕩器經(jīng)調(diào)適以通過以下操作來實施所述物理不可克隆函數(shù):選擇性地啟用所述第一多個環(huán)式振蕩器中的至少兩個環(huán)式振蕩器，其中由所述第一多個環(huán)式振蕩器間的制造變化引起的頻率變化產(chǎn)生唯一識別符。根據(jù)又一方面，所述第二多個環(huán)式振蕩器經(jīng)調(diào)適以通過以下操作來實施所述老化傳感器電路:使所述第二多個環(huán)式振蕩器中的第一環(huán)式振蕩器連續(xù)地運(yùn)行；使所述第二多個環(huán)式振蕩器中的第二環(huán)式振蕩器維持閑置，除非老化檢測經(jīng)確定；及通過執(zhí)行所述第一環(huán)式振蕩器與所述第二環(huán)式振蕩器之間的差分頻率測量來確定電路老化信息。根據(jù)又一方面，所述方法進(jìn)一步包括:跨所述集成電路的各種部分分散所述第二多個環(huán)式振蕩器的連續(xù)運(yùn)行的環(huán)式振蕩器及閑置環(huán)式振蕩器的數(shù)個對，以產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)行的環(huán)式振蕩器及閑置環(huán)式振蕩器的所述對所定位于的所述集成電路的所述部分的局部電路可靠性信息。
[0015]另一特征提供一種集成電路，其包括:用于實施物理不可克隆函數(shù)(PUF)的裝置；用于實施老化傳感器電路的裝置；及耦接到用于實施所述PUF的所述裝置及用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置的用于選擇信號的裝置，其中用于選擇的所述裝置經(jīng)調(diào)適以選擇從用于實施所述PUF的所述裝置及用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置中的至少一者輸出的至少兩個信號，其中用于選擇的所述裝置通常由用于實施所述PUF的所述裝置及用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置共享。根據(jù)一個方面，所述集成電路進(jìn)一步包括用于比較信號的裝置，用于比較的所述裝置經(jīng)調(diào)適以接收并比較從用于實施所述PUF的所述裝置及用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置中的至少一者輸出的所述兩個信號，用于比較的所述裝置產(chǎn)生輸出信號。根據(jù)另一方面，用于實施所述PUF的所述裝置及用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置包含至少一通常共享環(huán)式振蕩器。根據(jù)又一方面，用于實施所述PUF的所述裝置是通過以下操作來執(zhí)行:選擇性地啟用用于實施所述PUF的所述裝置中的至少兩個環(huán)式振蕩器，其中由所述第一多個環(huán)式振蕩器間的制造變化引起的頻率變化產(chǎn)生唯一識別符。
[0016]根據(jù)一個方面，用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置是通過以下操作來執(zhí)行:使用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置的第一環(huán)式振蕩器連續(xù)地運(yùn)行；使用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置的第二環(huán)式振蕩器維持閑置，除非老化檢測經(jīng)確定；及通過執(zhí)行所述第一環(huán)式振蕩器與所述第二環(huán)式振蕩器之間的差分頻率測量來確定電路老化信息。根據(jù)另一方面，用于實施所述老化傳感器電路的所述裝置