清華新聞網(wǎng)1月9日電 隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，邊緣設(shè)備中的本地?cái)?shù)據(jù)處理面臨著一系列新的安全威脅，迫切需要輕量化、高可靠的安全解決方案。物理不可克隆函數(shù)是近年來一種新興的硬件安全原語，通過利用芯片制造過程中不同器件之間的工藝偏差以及器件內(nèi)在的隨機(jī)性將輸入的挑戰(zhàn)向量映射為獨(dú)特且不可預(yù)測(cè)的響應(yīng)向量，進(jìn)而用于為一系列密碼學(xué)應(yīng)用生成安全的密鑰。其中，強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)具有指數(shù)級(jí)的挑戰(zhàn)-響應(yīng)對(duì)空間，可以支持更高級(jí)的加密協(xié)議，如設(shè)備身份驗(yàn)證、多方計(jì)算等。然而，目前的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)主要利用不同器件的工藝偏差作為熵源，通過延遲鏈或電流域計(jì)算生成響應(yīng)，因此能效和可靠性較低，且難以通過重構(gòu)操作生成與原挑戰(zhàn)-響應(yīng)對(duì)相獨(dú)立的新挑戰(zhàn)-響應(yīng)對(duì)，極大限制了強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)在邊緣場(chǎng)景的應(yīng)用。

圖1.基于鐵電晶體管的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)概覽

近日，清華大學(xué)電子系楊華中教授團(tuán)隊(duì)的李學(xué)清副教授在超低功耗、高可重構(gòu)的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)上取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出了一種基于鐵電晶體管的新型強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)，以鐵電晶體管隨機(jī)極化翻轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致的不同寫入周期之間的差異作為注冊(cè)和重構(gòu)過程中的唯一熵源，使挑戰(zhàn)-響應(yīng)對(duì)的注冊(cè)和重構(gòu)同質(zhì)化，避免了靜態(tài)工藝偏差對(duì)可重構(gòu)性的影響；同時(shí)首次引入了差分電荷域計(jì)算的架構(gòu)生成響應(yīng)，結(jié)合鐵電晶體管自身的超高開關(guān)比，幾乎消除了響應(yīng)生成中的靜態(tài)功耗，顯著提高能效。

圖2.28nm驗(yàn)證陣列

研究人員所提出的鐵電強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)單元在28nm工藝下進(jìn)行了制造。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)具有優(yōu)異的均勻性、唯一性和可重復(fù)性，并實(shí)現(xiàn)了超低的1.89fJ/bit響應(yīng)生成能效和接近理想的可重構(gòu)性，顯著優(yōu)于此前的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)。此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)對(duì)于參數(shù)變化（包括寫入電壓、設(shè)備尺寸和溫度）的高魯棒性和對(duì)于建模攻擊（一種面向強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)的常見攻擊）的強(qiáng)大抵御能力。這些指標(biāo)凸顯了所提出的鐵電強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)在低功耗、高可靠、高可重構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)進(jìn)一步規(guī)模化集成的潛力，為物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備安全提供了極具前景的新方案。

相關(guān)研究成果以“由鐵電晶體管周期間差異和電荷域計(jì)算支持的高可重構(gòu)、低功耗的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)的演示”（Demonstration of high-reconfigurability and low-power strong physical unclonable function empowered by FeFET cycle-to-cycle variation and charge-domain computing）為題，于1月2日在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。

清華大學(xué)電子系為論文的第一單位，電子系2022級(jí)博士生李泰昕、已畢業(yè)的碩士生郭欣瑞和德國(guó)Fraunhofer光子微系統(tǒng)研究所的弗朗茨·穆勒（Franz Müller）為共同第一作者，電子系副教授李學(xué)清、德國(guó)Fraunhofer光子微系統(tǒng)研究所教授托馬斯·坎普費(fèi)（Thomas K?mpfe）和美國(guó)圣母大學(xué)助理教授倪凱為共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。