这篇文档属于类型a（单篇原创研究论文的报告），以下是详细学术报告：

1. 主要作者及机构
本文由Iluminada Baturone、Roberto Román和Ángel Corbacho合作完成，三位作者均来自西班牙塞维大学的微电子研究所（Instituto de Microelectrónica de Sevilla, Universidad de Sevilla, CSIC）。研究发表于IEEE Internet of Things Journal，2023年4月第10卷第7期，标题为《A Unifiedibit P and TRNG Based on Ring Oscillators for Secure IoT Devices》。

2. 学术背景
研究领域与背景：
该研究属于硬件安全（Hardware Security），聚焦于物联网（IoT）设备的安全需求。物理不可克隆函数（Physically Unclonable Functions, PUFs）和真随机数生成（True Random Number Generators, TRNGs）是两种轻量级密码学原语，常用于设备认证和密钥生成。然而，现有方案中PUFs和TRNGs通常独立设计，导致资源浪费和复杂度增加。此外，传统基于环形振荡器（Ring Oscillators, ROs）的方案易受电磁攻击和侧信道分析威胁。

研究目标：
本文提出一种名为Multibit-RO-PUF-TRNG的电路设计，通过统一PUF和TRNG功能，实现以下目标：
1. 资源高效性：在同一硬件中集成多比特PUF和TRNG功能。
2. 抗攻击性：抵御锁定现象（locking phenomenon）和电磁侧信道攻击。
3. 数学模型支持：提供理论模型以优化设计参数和校准流程。

3. 研究流程与方法
研究对象与样本量：
实验数据来自两组公开数据集：
- Dataset90nm：193个Xilinx Spartan-3E FPGA（90纳米工艺），每个芯片包含512个5级环形振荡器（ROs），每RO采集100次频率测量。
- Dataset28nm：217个Xilinx Artix-7 FPGA（28纳米工艺），每组包含1600个3级ROs，测量时间为10毫秒。

核心电路设计：
电路核心由两个RO（ROi和ROj）及两个计数器组成（图1）。工作流程如下：
1. 振荡计数：ROi和ROj同时振荡，直至ROj的计数器达到固定值Nref（校准阶段确定）。
2. 响应生成：ROi的计数值Nij用于生成：
- TRNG响应：取Nij的最低位（LSB），利用局部高斯噪声（局部非确定性抖动）产生真随机数。
- 多比特PUF响应：通过将Nij与参考值Nijref和标准差σpuf比较，划分高斯分布区域，生成mp比特（如6比特/RO）。

数学模型：
- RO频率模型：fi ≈ foi · (1 − δi)，其中δi涵盖确定性（工艺偏差）和非确定性（噪声）抖动。
- 计数值公式：Nij = ⌊Nref · (1 + δgd_ij + δld_ijl + δn_ijk)⌋，量化全局/局部抖动对计数的影响。

校准与优化：
1. TRNG校准：通过健康测试（如NIST SP 800-90B）选择Nref，确保LSB通过统计测试。
2. PUF优化：
- RO选择：筛选低频比特翻转的RO对，提升可靠性
- 纠错码：采用重复码（repetition code）校正PUF响应误差，密钥模糊化（obfuscation）时节省79.38%的RO资源。

4. 主要结果
TRNG性能：
- 健康测试通过率：LSB通过NIST测试（如频率测试、近似熵测试），最小熵（Hmin`）>99%（表II-III）。
- 吞吐量：28纳米工艺下，TRNG吞吐量达24.1 kb/s（128位随机种子生成仅需5.3毫秒）。

PUF性能：
唯一性（Uniqueness）：比特间平均汉明距离（HD_inter）接近理想值50%（表IV）。
- 可靠性（Reliability）：经过RO选择后，HD_intra误差率显著降低（如6比特PUF的HD_intra %）。
- 抗攻击：数学模型显示，全局非确定性抖动（如电磁干扰）通过差分抵消（δgn_ij − δgn_i）减弱，降低锁定现象风险。

FPGA实现：
- 在Xilinx Artix-7 FPGA中集成168个3ROs，占用4325个LUT（20.79%），功耗2 mW。
- 多比特PUF吞吐量达144.8 kb/s（128位密钥重构仅需6.92毫秒）。

5. 结论与价值
科学价值：
1. 提出首个基于RO的统一多比特PUF-TRNG架构，简化硬件设计并提升抗攻击性。
2. 通过数学建模和校准流程，解决传统RO方案依赖经验调参的问题。

应用价值：
- 物联网安全：适用于资源受限的IoT设备，如区块链硬件钱包、边缘设备认证。
- 标准化潜力健康测试和校准方法符合NIST SP 800-90B标准，具备工业推广潜力。

6. 研究亮点
1. 统一设计创新：首次将多PUF和TRNG功能整合至单一RO对结构。
2. 理论支撑：建立RO抖动与计数响应的数学模型，指导参数优化。
3. 抗攻击增强：通过差分计数和内部存储（CPU程序）抵御电磁克隆攻击。
4. 资源高效性：相比单比特PUF方案，RO数量减少79.38%，显著降低功耗与面积开销。

7. 其他价值
- 开源验证：实验数据基于公开数据集（Dataset90nm和Dataset28nm），结果可复现。
- 扩展性：模型适用于不同工艺节点（90nm至28nm），为先进制程提供设计参考。

（全文约2000字）