基于持久分层布隆过滤器的框架：用于可扩展的集成电路（IC）认证与追踪

《ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems》：A Persistent Hierarchical Bloom Filter-based Framework for Scalable Authentication and Tracking of ICs

本文提出了一种基于持久分层布隆过滤器（PHBF）的集成电路（IC）供应链认证框架，有效解决了传统方法在噪声容忍、存储效率和查询速度上的不足。通过结合分层布隆过滤器和持久布隆过滤器的特性，PHBF实现了对多个地点和时间的动态追踪，在应对温度变化和人为噪声时仍能保持高认证精度，同时显著降低存储需求（较区块链减少39倍）和查询时间（快10^5倍）。实验验证了PHBF在四种主要 counterfeit IC检测类型中的有效性。

　　在当今电子设备日益普及的背景下，确保其真实性和供应链的可靠性成为一项重要任务。随着制造过程的全球化，假冒芯片的风险也随之增加。这些假冒芯片不仅可能影响设备的性能和安全性，还可能对关键系统如军事、航空、医疗和联邦网络安全基础设施造成潜在威胁。为应对这一挑战，研究者们正在探索更加高效、快速且能够处理噪声的认证和追踪技术。本文提出了一种名为“持久分层布隆过滤器”（Persistent Hierarchical Bloom Filter, PHBF）的新方法，旨在通过减少存储需求和提高查询速度来实现对集成电路（Integrated Circuits, ICs）的高效认证和追踪。

PHBF的核心思想是将布隆过滤器（Bloom Filter, BF）和分层布隆过滤器（Hierarchical Bloom Filter, HBF）的优势结合起来，同时引入时间维度的处理能力。传统的布隆过滤器虽然在存储和查询效率方面表现良好，但其无法处理噪声数据，导致误判率较高。而分层布隆过滤器虽然在处理噪声方面有所改进，但在时间维度上的查询能力有限。因此，PHBF在设计时考虑了时间信息，使其能够在多个供应链节点中对芯片进行时间相关的认证。这种方法不仅能够容忍噪声，还能够在不使用错误校正码（Error Correcting Code, ECC）的情况下，实现对芯片的高效和准确认证。

PHBF的结构设计基于分层和持久性两个关键特性。在分层结构中，每个层级都包含多个布隆过滤器，这些过滤器按照一定的逻辑进行组织，使得查询可以在多个层级中逐步进行，从而降低误判率并提高查询效率。同时，PHBF还引入了时间维度，通过将时间划分为不同的区间，使得系统能够记录芯片在不同时间点的活动情况。这种设计使得PHBF能够支持复杂的时间查询，从而更好地检测不同类型的假冒芯片。

在实验部分，研究者们对PHBF的性能进行了详细评估。他们使用了4,000个来自不同现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的PUF生成签名，并在不同的噪声条件下测试了其认证能力。实验结果表明，PHBF在处理温度诱导和合成噪声时，能够达到最高的认证准确率，且无需使用ECC。与区块链等传统追踪系统相比，PHBF在查询处理时间和存储需求方面表现出显著的优势。具体而言，PHBF的查询处理速度比区块链快了约$10^5$倍，而存储需求则降低了39倍。这些结果验证了PHBF在大规模供应链追踪中的有效性。

PHBF的应用不仅限于提高认证效率，还能够帮助识别不同类型的假冒芯片。例如，通过查询芯片在供应链中的最后位置，可以检测是否存在盗窃行为；通过检查芯片是否在原始制造商（OEM）的数据库中注册，可以识别是否为克隆或超产芯片；通过比较芯片的标记和响应，可以发现是否为重新标记的芯片；而通过确认芯片是否已被销售，可以识别是否为回收芯片。这些查询方式展示了PHBF在供应链管理中的灵活性和实用性。

从实际应用的角度来看，PHBF的引入为电子设备的认证和追踪提供了一种全新的解决方案。传统的认证方法往往需要大量的存储空间和较长的处理时间，而PHBF则通过分层结构和时间分块的方式，有效降低了这些需求。此外，PHBF能够处理噪声数据，这使得其在实际环境中更加可靠。在供应链中，由于环境因素如温度、电压和老化等，芯片的响应可能会发生变化，而PHBF的噪声容忍特性使其能够在这些变化中保持较高的认证准确率。

PHBF的实验结果显示，它在不同噪声水平下都能保持较高的认证性能。在测试中，研究者们引入了不同比例的噪声，并观察了PHBF在这些情况下的表现。结果表明，PHBF能够准确识别芯片的响应，即使在噪声较高的情况下，也能保持较高的识别率。这种性能优势使得PHBF成为一种极具潜力的认证和追踪工具，特别是在大规模供应链管理中。

此外，PHBF在存储和查询效率方面也表现出色。通过将时间信息分层处理，PHBF能够在保持低存储需求的同时，实现高效的查询。与传统的数据库和区块链相比，PHBF在存储需求和查询处理时间上都有显著的提升。例如，在存储需求方面，PHBF的存储空间仅为区块链的39分之一，而在查询处理时间方面，PHBF的速度是区块链的$10^5$倍。这些优势使得PHBF在处理大规模数据时更加高效，适用于需要实时认证和追踪的供应链场景。

尽管PHBF在多个方面表现出色，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何确保分层结构中的噪声容忍特性在不同供应链环境中保持一致；如何优化查询过程以减少延迟；以及如何在不牺牲性能的前提下，进一步提升系统的安全性和隐私保护能力。未来的研究可能会集中在这些方面，以完善PHBF的性能并扩展其应用范围。

总之，PHBF为解决供应链中假冒芯片的问题提供了一种创新的方法。它不仅在存储和查询效率上优于传统方案，还能够有效处理噪声，提高认证的准确性。通过结合分层结构和时间分块技术，PHBF能够在复杂的供应链环境中提供快速、可靠的认证和追踪能力，从而保障电子设备的真实性和安全性。未来，随着技术的不断发展，PHBF有望成为供应链管理中的重要工具，为电子产品的安全和可信度提供更坚实的保障。