國際首個(gè)基于阻變存儲器的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)芯片設(shè)計(jì)

2月20日，正在美國舊金山召開的第66屆國際固態(tài)電路會議（ISSCC 2019）上，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所錢鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了國際首個(gè)基于阻變存儲器（RRAM）的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)（PUF）芯片設(shè)計(jì)，該芯片在可靠性、均勻性以及芯片面積上相對于之前工作都有明顯提升，且具有獨(dú)特的可重構(gòu)能力。

隨著智能硬件的廣泛普及，半導(dǎo)體供應(yīng)鏈安全威脅的增加，硬件安全已經(jīng)變得越來越重要。僅基于軟件的安全防護(hù)已經(jīng)不能滿足需求。近年來，物理不可克隆函數(shù)（PUF）已經(jīng)成為一種新的硬件安全防護(hù)手段。集成電路PUF可以利用器件固有的隨機(jī)性（如工藝的隨機(jī)性）在特定的激勵下產(chǎn)生不可預(yù)測的響應(yīng)，進(jìn)而充當(dāng)了唯一性識別芯片的硬件“指紋”。

阻變存儲器（RRAM）是一種新型的存儲器，其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(jī)存儲器（DRAM），RRAM具有高速、低功耗、面積小等多項(xiàng)優(yōu)勢，是新一代高性能存儲器的重要候選人之一。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(jì)算領(lǐng)域。RRAM的工作原理是基于導(dǎo)電細(xì)絲的斷裂與生長，而這個(gè)過程存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，進(jìn)而使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(jī)性，而這些隨機(jī)特性也使其適用于硬件安全方面的應(yīng)用。

高精度SA設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的集成電路PUF多是利用器件制造過程中的工藝隨機(jī)偏差來產(chǎn)生特異性隨機(jī)輸出，但這種方法存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：首先，工藝的偏差存在一定的固有偏執(zhí)，導(dǎo)致PUF輸出的隨機(jī)性不足。此外，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(jìn)行改變，進(jìn)而導(dǎo)致PUF的輸出不可進(jìn)行重構(gòu)。在這種情況下，當(dāng)PUF遭遇多次攻擊或壽命用盡時(shí)，被PUF保護(hù)的硬件則會重新遭遇硬件安全威脅。針對以上挑戰(zhàn)，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所博士研究生龐亞川在ISSCC上介紹了一種基于RRAM電阻隨機(jī)性的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)芯片設(shè)計(jì)。

芯片照片

該報(bào)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(shí)現(xiàn)該方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款高精度的靈敏放大器電路以精確比較兩個(gè)RRAM器件的電阻。此外，由于RRAM的C2C隨機(jī)性，使該P(yáng)UF擁有了獨(dú)特的可重構(gòu)能力。大量的測試數(shù)據(jù)顯示所設(shè)計(jì)的RRAM PUF與之前的工作相比，具有最低的原始比特錯(cuò)誤率、最小的單元面積、最好的均勻性以及獨(dú)特的可重構(gòu)能力。

測試系統(tǒng)

總體來看，由于非電學(xué)PUF無法有效與集成電路集成，因此，電學(xué)PUF依然是開發(fā)的重點(diǎn)。 比如，SRAM PUF是商用程度最高的PUF，具有易于實(shí)現(xiàn)、兼容性好的優(yōu)勢，但不能有效抵抗光電攻擊、存在固有偏差等。 相對而言，基于NVM的PUF（如RRAM PUF）可以有效平衡以上優(yōu)缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)極低的原始比特錯(cuò)誤率、較好的抗物理攻擊能力以及可重構(gòu)性，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對比表格

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(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級別的學(xué)術(shù)會議，素有“集成電路領(lǐng)域的奧林匹克”之稱。