物理密码相比软件密码具有更高的安全性,因为存在非易失存储器中的软件密码容易遭到攻击和恶意读取,从而被破解,而物理不可克隆函数(PUF)产生的是一种物理密码,只有在需要的时候才会存在,不会存于存储器中,因此隐蔽性非常高,不易被攻击。是作为边缘端硬件安全保护机制的不二选择。然而边缘端设备面积有限,供能有限,如何在有限的面积和能耗条件下,实现同时具备存储、计算、安全三种功能是一个很大的挑战。
忆阻器作为一种新兴的存储器件,在存算一体技术领域已经得到深入研究,同时基于忆阻器的各类PUF也层出不穷,然而在现有的研究中,存储和计算与安全是分离的,如果将存算与安全集成到同一个器件中,硬件的面积和功耗会有更进一步的优化。华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心李祎副教授、缪向水教授团队对该项技术进行深入研究,与台湾中山大学张鼎张教授团队合作,提出一种基于晶体管-忆阻器单元集成结构的PUF及原位加密方法,在单个器件单元上实现存储、计算、安全的集成,这项工作以“Cryptographic Key Generation and in situ Encryption in One-Transistor-One-Resistor Memristors for Hardware Security”为题发表于Advanced Electronic Materials,并被选为2021年5月刊的封面。博士生杨岭、程龙为共同第一作者,李祎副教授、缪向水教授为共同通讯作者。
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图1. 1T1R物理不可克隆函数以及原位加密应用
1T1R结构是忆阻器集成的一种较为理想的也是研究最多的一种结构,每个单元由一个晶体管和串联在源极的忆阻器构成,晶体管作为选通管,忆阻器作为存算单元,如果将忆阻器作为PUF,则其存算功能将会受限,研究团队将焦点聚集在晶体管上,通过大量统计其亚阈值斜率的分布特性,发现单个器件的亚阈值斜率非常稳定,而由于工艺流程中的随机性,不同器件的亚阈值斜率会有差异同时形成一定范围内的分布,因此将晶体管的亚阈值斜率作为PUF的熵源能够获得较好的性能,其次这种设计既不影响其选通管的功能,也不影响忆阻器的存算功能,避免了单独设计PUF增加面积,同时利用1T1R单元的可重构非易失逻辑特性,在器件单元上可原位执行加密计算,实现了单个器件单元对存储、计算、安全的集成。
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图2.原位加密实验演示,明文“0/1”被加密之后是无法解读含义的密文,使用相同的密钥进行解密即可恢复原始信息“0/1”
该工作为存算一体架构的硬件安全问题提供了一种有效的备选方案,也为边缘端电子设备更高密度的功能集成提供了一种新的技术路线。该工作得到了中国科技部国家重点研究计划,国家自然科学基金,先进存储器湖北省重点实验室,湖北省微电子工程研究中心和蔡少棠忆阻器研究中心的支持。
论文信息和网页链接
Yang, L., Cheng, L., Li, Y., Li, H., Li, J., Chang, T. C., & Miao, X. (2021). Cryptographic Key Generation and In Situ Encryption in One‐Transistor‐One‐Resistor Memristors for Hardware Security. Advanced Electronic Materials, 2001182.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202001182