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。

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。

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