清華微納電子系錢鶴、吳華強團隊在物理不可克隆函數(shù)芯片領域取得重要進展

清華新聞網(wǎng)3月22日電 近日，微納電子系錢鶴、吳華強教授團隊在第66屆國際固態(tài)電路會議（ISSCC 2019）上以“基于阻變存儲器的具有6×10^-6原始比特錯誤率的可重構物理不可克隆函數(shù)芯片（A Reconfigurable RRAM PUF Utilizing Post-Process Randomness Source with <6×10^-6 N-BER）”為題，報道了國際首個基于阻變存儲器（RRAM）的物理不可克隆函數(shù)（PUF）芯片設計，該芯片在可靠性、均勻性上相對于之前工作都有明顯提升，且具有獨特的可重構能力，能夠實現(xiàn)高效硬件安全防護。該芯片代號取名為XUANWU，意為具有超凡防御能力的中國古代四大神獸之一“玄武”。 

物理不可克隆函數(shù)芯片（XUANWU X01）

這項工作得到了《自然·電子》（Nature Electronics）的關注。3月15日，在其最新發(fā)布的刊物中以研究亮點（Research Highlight）的方式給予了重點報道，認為具備可重構一個全新的PUF芯片的能力是一種獨特特點，大大降低了密鑰過度使用以及更改硬件所有權的風險。文章中還指出：“清華大學研制出了一種基于阻變存儲器的PUF芯片，通過了美國國家標準與技術研究院的隨機測試……采用差分阻值的方法，實現(xiàn)了原始位誤碼率低于<6×10^-6，驗證了該PUF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，半導體供應鏈安全威脅的增加，硬件安全變得越來越重要，僅基于軟件的安全防護已經(jīng)不能滿足需求。近年來，物理不可克隆函數(shù)已經(jīng)成為一種新的硬件安全防護手段。集成電路PUF可以利用器件固有的隨機性（如工藝的隨機性）在特定的激勵下產(chǎn)生不可預測的響應，進而充當了唯一性識別芯片的硬件“指紋”。然而，傳統(tǒng)的集成電路PUF存在兩個明顯的缺點：首先，工藝的偏差存在一定的固有偏執(zhí)，導致PUF輸出的隨機性不足。其次，由于工藝偏差直接產(chǎn)生于集成電路制造過程中，一旦產(chǎn)生則不可進行改變，進而導致PUF的輸出不可進行重構。在這種情況下，當PUF遭遇多次攻擊或壽命用盡時，被PUF保護的硬件則會重新遭遇硬件安全威脅。

RRAM作為一種新型存儲器，利用器件的電阻值完成對信息的存儲。相比于傳統(tǒng)的閃存（flash）以及動態(tài)隨機存儲器（DRAM），RRAM具有高速、低功耗、面積小等多項優(yōu)勢，是新一代高性能存儲器的重要候選之一。此外，RRAM因其所特有的類神經(jīng)元特性也被廣泛用于類腦計算領域。由于RRAM的工作原理是基于導電細絲的斷裂與生長，而這個過程存在較強的隨機性，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）的隨機性，這些隨機特性也使其適用于硬件安全防護。

針對傳統(tǒng)集成電路PUF的不足，利用RRAM的優(yōu)勢，清華大學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電阻隨機性的可重構物理不可克隆函數(shù)芯片設計。該報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。為了在電路層次實現(xiàn)該方法，該團隊設計了一款高精度的靈敏放大器電路以精確比較兩個RRAM器件的電阻。大量的測試數(shù)據(jù)顯示所設計的RRAM PUF與之前的工作相比，具有最低的原始比特錯誤率、最小的單元面積、最好的均勻性以及獨特的可重構能力，能夠有效抵抗物理攻擊，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

XUANWU X01技術指標情況

IEEE ISSCC（International Solid-State Circuits Conference 國際固態(tài)電路會議）始于1953年，是集成電路設計領域最高級別的學術會議，素有“集成電路領域的奧林匹克”之稱。

清華大學微納電子系博士生龐亞川為該論文的第一作者，吳華強教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部、北京市科委、北京未來芯片技術高精尖創(chuàng)新中心等相關項目的支持。

團隊合影（從左至右分別為錢鶴、龐亞川、吳華強、高濱）

近年來，微納電子系錢鶴、吳華強團隊圍繞阻變存儲器的關鍵科學問題，從材料器件優(yōu)化、架構設計到系統(tǒng)集成、芯片應用等方面開展了系統(tǒng)研究，在國際期刊如《自然·通訊》《先進材料》《納米快報》及領域頂級學術會議如國際電子器件會議（IEDM）、超大規(guī)模集成電路會議 （VLSI）、國際固態(tài)電路會議（ISSCC）等發(fā)表多篇學術論文，為阻變存儲器芯片的產(chǎn)業(yè)化打下技術基礎。

報道鏈接：

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