清华微纳电子系钱鹤、吴华强团队在物理不可克隆函数芯片领域取得重要进展

 清华新闻网3月22日电 近日,微纳电子系钱鹤、吴华强教授团队在第66届国际固态电路会议(ISSCC 2019)上以“基于阻变存储器的具有6×10-6原始比特错误率的可重构物理不可克隆函数芯片(A Reconfigurable RRAM PUF Utilizing Post-Process Randomness Source with <6×10-6 N-BER)”为题,报道了国际首个基于阻变存储器(RRAM)的物理不可克隆函数(PUF)芯片设计,该芯片在可靠性、均匀性上相对于之前工作都有明显提升,且具有独特的可重构能力,能够实现高效硬件安全防护。该芯片代号取名为XUANWU,意为具有超凡防御能力的中国古代四大神兽之一“玄武”。 

物理不可克隆函数芯片(XUANWU X01)

 这项工作得到了《自然·电子》(Nature Electronics)的关注。3月15日,在其最新发布的刊物中以研究亮点(Research Highlight)的方式给予了重点报道,认为具备可重构一个全新的PUF芯片的能力是一种独特特点,大大降低了密钥过度使用以及更改硬件所有权的风险。文章中还指出:“清华大学研制出了一种基于阻变存储器的PUF芯片,通过了美国国家标准与技术研究院的随机测试……采用差分阻值的方法,实现了原始位误码率低于<6×10-6,验证了该PUF芯片优异的抗环境变化的稳定性。”        

 随着智能硬件的广泛普及,半导体供应链安全威胁的增加,硬件安全变得越来越重要,仅基于软件的安全防护已经不能满足需求。近年来,物理不可克隆函数已经成为一种新的硬件安全防护手段。集成电路PUF可以利用器件固有的随机性(如工艺的随机性)在特定的激励下产生不可预测的响应,进而充当了唯一性识别芯片的硬件“指纹”。然而,传统的集成电路PUF存在两个明显的缺点:首先,工艺的偏差存在一定的固有偏执,导致PUF输出的随机性不足。其次,由于工艺偏差直接产生于集成电路制造过程中,一旦产生则不可进行改变,进而导致PUF的输出不可进行重构。在这种情况下,当PUF遭遇多次攻击或寿命用尽时,被PUF保护的硬件则会重新遭遇硬件安全威胁。

 RRAM作为一种新型存储器,利用器件的电阻值完成对信息的存储。相比于传统的闪存(flash)以及动态随机存储器(DRAM),RRAM具有高速、低功耗、面积小等多项优势,是新一代高性能存储器的重要候选之一。此外,RRAM因其所特有的类神经元特性也被广泛用于类脑计算领域。由于RRAM的工作原理是基于导电细丝的断裂与生长,而这个过程存在较强的随机性,使RRAM的电阻存在器件与器件之间(D2D)以及循环与循环之间(C2C)的随机性,这些随机特性也使其适用于硬件安全防护。

 针对传统集成电路PUF的不足,利用RRAM的优势,清华大学微纳电子系博士研究生庞亚川在ISSCC2019上首次介绍了一种基于RRAM电阻随机性的可重构物理不可克隆函数芯片设计。该报告提出了一种电阻差分方法用于产生PUF输出以消除工艺固有偏差以及电压降(IR drop)的不利影响。为了在电路层次实现该方法,该团队设计了一款高精度的灵敏放大器电路以精确比较两个RRAM器件的电阻。大量的测试数据显示所设计的RRAM PUF与之前的工作相比,具有最低的原始比特错误率、最小的单元面积、最好的均匀性以及独特的可重构能力,能够有效抵抗物理攻击,具有很好的发展潜力。

XUANWU X01技术指标情况

 IEEE ISSCC(International Solid-State Circuits Conference 国际固态电路会议)始于1953年,是集成电路设计领域最高级别的学术会议,素有“集成电路领域的奥林匹克”之称。

 清华大学微纳电子系博士生庞亚川为该论文的第一作者,吴华强教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、北京市科委、北京未来芯片技术高精尖创新中心等相关项目的支持。

团队合影(从左至右分别为钱鹤、庞亚川、吴华强、高滨)

 近年来,微纳电子系钱鹤、吴华强团队围绕阻变存储器的关键科学问题,从材料器件优化、架构设计到系统集成、芯片应用等方面开展了系统研究,在国际期刊如《自然·通讯》《先进材料》《纳米快报》及领域顶级学术会议如国际电子器件会议(IEDM)、超大规模集成电路会议 (VLSI)、国际固态电路会议(ISSCC)等发表多篇学术论文,为阻变存储器芯片的产业化打下技术基础。

报道链接:

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0227-0

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