2025年1月3日，中國(guó)工程院院刊《工程》（Engineering）在線發(fā)表了北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院趙巍勝教授課題組的最新研究成果《Experimental Realization of Physical Unclonable Function Chip Utilizing Spintronic Memories》。

該工作首次實(shí)現(xiàn)了一種基于自旋軌道力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）的高可靠且可重構(gòu)的強(qiáng)物理不可克隆函數(shù)（sr-PUF）。所提出的PUF在具有接近理想性能參數(shù)的同時(shí)，還具備抵抗機(jī)器學(xué)習(xí)模型攻擊的能力，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)邊緣端設(shè)備的硬件安全問(wèn)題提供了一種全新的解決方案。我院2022級(jí)博士生張秀野為第一作者，趙巍勝教授為通訊作者。該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為緣邊緣端設(shè)備的硬件安全帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遭受的惡意攻擊超過(guò)了1億次，導(dǎo)致了嚴(yán)重的信息泄露和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為一種加密原語(yǔ)，PUF有望在緩解這些問(wèn)題方面發(fā)揮重要作用。在制造工藝中，通常存在著不可避免的固有隨機(jī)性，PUF利用這種難以復(fù)制的微小變化，將輸入的挑戰(zhàn)映射為獨(dú)立且不可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，并結(jié)合特定算法輸出密鑰。當(dāng)前，全電學(xué)PUF的基本單元通常基于CMOS技術(shù)。然而，CMOS PUF內(nèi)稟熵源不足且易受環(huán)境影響，因此通常需要額外的糾錯(cuò)電路，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的可行性受到限制。相比之下，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）具有較低的功耗和面積開銷、豐富的內(nèi)稟熵源及高可靠性等特點(diǎn)，這使得MRAM PUF成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中極具前景的選擇。

基于上述原因，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種以陣列單元閾值電壓差異為熵源，具備高可靠性和可重構(gòu)性的強(qiáng)SOT-MRAM sr-PUF，其特性總結(jié)如圖1所示。所提出PUF的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為兩步，如圖2所示。首先，對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行初始化操作，將陣列上所有單元設(shè)置為高阻態(tài)或低阻態(tài)。接著，對(duì)所有單元施加特定的寫入電壓，使得陣列中高阻態(tài)和低阻態(tài)的出現(xiàn)概率接近50%。最后，采用存內(nèi)計(jì)算方法，通過(guò)比較不同列組合的電流和生成PUF響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，SOT-MRAM sr-PUF無(wú)需額外的糾錯(cuò)電路或輔助設(shè)計(jì)，可以直接通過(guò)存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，SOT-MRAM sr-PUF擁有極大的挑戰(zhàn)響應(yīng)對(duì)（CRPs）空間（～109），并且所有性能指標(biāo)接近理想基準(zhǔn)，尤其是在375K下仍能實(shí)現(xiàn)100%的可靠性，如圖3所示。通過(guò)對(duì)寫入電壓施加微小變化，SOT-MRAM sr-PUF成功實(shí)現(xiàn)了CRPs的可重構(gòu)操作。此外，所提出的PUF還表現(xiàn)出對(duì)邏輯回歸、支持向量機(jī)和多層感知器等機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模攻擊的抵抗力。

圖1. SOT-MRAM sr-PUF特性總結(jié)

圖2. SOT-MRAM sr-PUF實(shí)現(xiàn)方法

圖3. SOT-MRAM sr-PUF性能評(píng)估

北航集成電路科學(xué)與工程學(xué)院趙巍勝教授團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)科研前沿方向，長(zhǎng)期致力于超低功耗自旋電子材料與器件及其應(yīng)用的相關(guān)研究，并取得了一系列進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于《自然?電子》（Nature Electronics）、《自然?通訊》（Nature Communications）、《電氣與電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)報(bào)》（Proceeding of the IEEE）、《工程》（Engineering）、《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）等國(guó)內(nèi)外知名期刊。