【儀表網 研發快訊】近日，中國工程院院刊《工程》(Engineering)在線發表了北航集成電路科學與工程學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》。該工作首次實現了一種基于自旋軌道力矩磁隨機存儲器(SOT-MRAM)的高可靠且可重構的強物理不可克隆函數(sr-PUF)。所提出的PUF在具有接近理想性能參數的同時，還具備抵抗機器學習模型攻擊的能力，為未來物聯網邊緣端設備的硬件安全問題提供了一種全新的解決方案。集成電路科學與工程學院2022級博士生張秀野為第一作者，趙巍勝教授為通訊作者。該工作獲得了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
物聯網的迅猛發展為緣邊緣端設備的硬件安全帶來了諸多挑戰。根據統計，2022年物聯網設備遭受的惡意攻擊超過了1億次，導致了嚴重的信息泄露和巨大的經濟損失。作為一種加密原語，PUF有望在緩解這些問題方面發揮重要作用。在制造工藝中，通常存在著不可避免的固有隨機性，PUF利用這種難以復制的微小變化，將輸入的挑戰映射為獨立且不可預測的響應，并結合特定算法輸出密鑰。當前，全電學PUF的基本單元通常基于CMOS技術。然而，CMOS PUF內稟熵源不足且易受環境影響，因此通常需要額外的糾錯電路，在物聯網應用中的可行性受到限制。相比之下，磁隨機存儲器(MRAM)具有較低的功耗和面積開銷、豐富的內稟熵源及高可靠性等特點，這使得MRAM PUF成為物聯網應用中極具前景的選擇。
基于上述原因，研究團隊開發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性的強SOT-MRAMsr-PUF，其特性總結如圖1所示。所提出PUF的實現過程分為兩步，如圖2所示。首先，對整個芯片進行初始化操作，將陣列上所有單元設置為高阻態或低阻態。接著，對所有單元施加特定的寫入電壓，使得陣列中高阻態和低阻態的出現概率接近50%。最后，采用存內計算方法，通過比較不同列組合的電流和生成PUF響應。實驗結果證明，SOT-MRAMsr-PUF無需額外的糾錯電路或輔助設計，可以直接通過存儲芯片實現。值得注意的是，SOT-MRAM sr-PUF擁有極大的挑戰響應對(CRPs)空間(∼109)，并且所有性能指標接近理想基準，尤其是在375K下仍能實現100%的可靠性，如圖3所示。通過對寫入電壓施加微小變化，SOT-MRAM sr-PUF成功實現了CRPs的可重構操作。此外，所提出的PUF還表現出對邏輯回歸、支持向量機和多層感知器等機器學習算法建模攻擊的抵抗力。
圖1. SOT-MRAM sr-PUF特性總結
圖2. SOT-MRAM sr-PUF實現方法
圖3. SOT-MRAM sr-PUF性能評估
北航集成電路科學與工程學院趙巍勝教授團隊瞄準科研前沿方向，長期致力于超低功耗自旋電子材料與器件及其應用的相關研究，并取得了一系列進展。相關成果發表于《自然•電子》(Nature Electronics)、《自然•通訊》(Nature Communications)、《電氣與電子工程師協會會報》(Proceeding of the IEEE)、《工程》(Engineering)、《科學通報》(Science Bulletin)等國內外知名期刊。
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