清華微納電子系錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在物理不可克隆函數(shù)芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)3月22日電 近日，微納電子系錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在第66屆國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC 2019）上以“基于阻變存儲(chǔ)器的具有6×10-6原始比特錯(cuò)誤率的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)芯片（A Reconfigurable RRAM PUF Utilizing Post-Process Randomness Source with <6×10-6 N-BER）”為題，報(bào)道了國(guó)際首個(gè)基于阻變存儲(chǔ)器（RRAM）的物理不可克隆函數(shù)（PUF）芯片設(shè)計(jì)，該芯片在可靠性、均勻性上相對(duì)于之前工作都有明顯提升，且具有獨(dú)特的可重構(gòu)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效硬件安全防護(hù)。該芯片代號(hào)取名為XUANWU，意為具有超凡防御能力的中國(guó)古代四大神獸之一“玄武”。
物理不可克隆函數(shù)芯片（XUANWU X01）
這項(xiàng)工作得到了《自然·電子》（Nature Electronics）的關(guān)注。3月15日，在其最新發(fā)布的刊物中以研究亮點(diǎn)（Research Highlight）的方式給予了重點(diǎn)報(bào)道，認(rèn)為具備可重構(gòu)一個(gè)全新的PUF芯片的能力是一種獨(dú)特特點(diǎn)，大大降低了密鑰過(guò)度使用以及更改硬件所有權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)。文章中還指出：“清華大學(xué)研制出了一種基于阻變存儲(chǔ)器的PUF芯片，通過(guò)了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的隨機(jī)測(cè)試……采用差分阻值的方法，實(shí)現(xiàn)了原始位誤碼率低于<6×10-6，驗(yàn)證了該P(yáng)UF芯片優(yōu)異的抗環(huán)境變化的穩(wěn)定性。”
隨著智能硬件的廣泛普及，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈安全威脅的增加，硬件安全變得越來(lái)越重要，僅基于軟件的安全防護(hù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。近年來(lái)，物理不可克隆函數(shù)已經(jīng)成為一種新的硬件安全防護(hù)手段。集成電路PUF可以利用器件固有的隨機(jī)性（如工藝的隨機(jī)性）在特定的激勵(lì)下產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，進(jìn)而充當(dāng)了唯一性識(shí)別芯片的硬件“指紋”。然而，傳統(tǒng)的集成電路PUF存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：首先，工藝的偏差存在一定的固有偏執(zhí)，導(dǎo)致PUF輸出的隨機(jī)性不足。其次，由于工藝偏差直接產(chǎn)生于集成電路制造過(guò)程中，一旦產(chǎn)生則不可進(jìn)行改變，進(jìn)而導(dǎo)致PUF的輸出不可進(jìn)行重構(gòu)。在這種情況下，當(dāng)PUF遭遇多次攻擊或壽命用盡時(shí)，被PUF保護(hù)的硬件則會(huì)重新遭遇硬件安全威脅。
RRAM作為一種新型存儲(chǔ)器，利用器件的電阻值完成對(duì)信息的存儲(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的閃存（flash）以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），RRAM具有高速、低功耗、面積小等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，是新一代高性能存儲(chǔ)器的重要候選之一。此外，RRAM因其所特有的類(lèi)神經(jīng)元特性也被廣泛用于類(lèi)腦計(jì)算領(lǐng)域。由于RRAM的工作原理是基于導(dǎo)電細(xì)絲的斷裂與生長(zhǎng)，而這個(gè)過(guò)程存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，使RRAM的電阻存在器件與器件之間（D2D）以及循環(huán)與循環(huán)之間（C2C）的隨機(jī)性，這些隨機(jī)特性也使其適用于硬件安全防護(hù)。
針對(duì)傳統(tǒng)集成電路PUF的不足，利用RRAM的優(yōu)勢(shì)，清華大學(xué)微納電子系博士研究生龐亞川在ISSCC2019上首次介紹了一種基于RRAM電阻隨機(jī)性的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)芯片設(shè)計(jì)。該報(bào)告提出了一種電阻差分方法用于產(chǎn)生PUF輸出以消除工藝固有偏差以及電壓降（IR drop）的不利影響。為了在電路層次實(shí)現(xiàn)該方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款高精度的靈敏放大器電路以精確比較兩個(gè)RRAM器件的電阻。大量的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示所設(shè)計(jì)的RRAM PUF與之前的工作相比，具有最低的原始比特錯(cuò)誤率、最小的單元面積、最好的均勻性以及獨(dú)特的可重構(gòu)能力，能夠有效抵抗物理攻擊，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
XUANWU X01技術(shù)指標(biāo)情況
IEEE ISSCC（International Solid-State Circuits Conference 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議）始于1953年，是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別的學(xué)術(shù)會(huì)議，素有“集成電路領(lǐng)域的奧林匹克”之稱(chēng)。
清華大學(xué)微納電子系博士生龐亞川為該論文的第一作者，吳華強(qiáng)教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、北京市科委、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心等相關(guān)項(xiàng)目的支持。
團(tuán)隊(duì)合影（從左至右分別為錢(qián)鶴、龐亞川、吳華強(qiáng)、高濱）
近年來(lái)，微納電子系錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)圍繞阻變存儲(chǔ)器的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，從材料器件優(yōu)化、架構(gòu)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)集成、芯片應(yīng)用等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究，在國(guó)際期刊如《自然·通訊》《先進(jìn)材料》《納米快報(bào)》及領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議如國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）、超大規(guī)模集成電路會(huì)議 （VLSI）、國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）等發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，為阻變存儲(chǔ)器芯片的產(chǎn)業(yè)化打下技術(shù)基礎(chǔ)。
報(bào)道鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0227-0
供稿：微納電子系 編輯：李華山 審核：周襄楠
