基於8層的三維垂直阻變存儲器RRAM PUF芯片。之江實驗室供圖
中新網杭州1月14日電(錢晨菲 陳航)14日，記者從之江實驗室獲悉，之江實驗室、中國科學院微電子研究所(下稱中科院微電子所)聯合研究團隊在新型架構安全芯片領域取得重要進展。研究團隊基於物理不可克隆技術(Physically Unclonable Function，PUF)，完成了2款新型硬件安全芯片的設計與驗證，芯片相關指標達到國際先進水平。
5G、雲計算、物聯網、人工智能等新技術的發展，推動人類社會快速邁入“萬物互聯”時代，同時，設備的安全性問題日益凸顯。
“目前，用於保護IoT設備的安全技術主要基於軟件加密，但存在數據易於被訪問、讀取、複製甚至篡改等問題，黑客攻破軟件防護的案例也是屢見不鮮。”之江實驗室全職雙聘副研究員楊建國介紹，“我們的研究主要是從硬件層面加固芯片安全，因為硬件具有更高的防篡改能力，可以提供比軟件更高的信任度和安全性。”
基於記憶時間的PUF芯片。之江實驗室供圖
此次取得研究突破的新型硬件安全芯片，主要基於PUF的物理不可克隆特性。“PUF技術就相當於給芯片加上了‘指紋’信息，經特殊技術提取後，可作為芯片的唯一標識信息。這個指紋是與生俱來的，且每一顆芯片都不同，即便是芯片製造商本身也無法做出兩塊完全一樣的芯片。”楊建國説，可以把PUF理解成硬件秘鑰，讀取芯片數據必須要使用這把世界上唯一的秘鑰。因此，PUF為不安全環境下的芯片認證和保護設備免受物理攻擊提供了一種有效的方法。
“相較於傳統集成電路的PUF，基於阻變存儲器RRAM的PUF具有功耗低、面積小、可靠性強、隨機性好等特點，可以兼容CMOS工藝，與芯片設計無縫集成，且隨機性不隨工藝微縮而改變。”楊建國説。
基於RRAM隨機短期記憶時間等特性，之江實驗室新型智能計算系統研究團隊與中科院微電子所、復旦大學的研究人員合作，從隨機源的物理模型出發，實現了完整的PUFIP的設計和驗證。芯片測試結果顯示其隨機性接近理想值。經過對PUF產生的100M比特流的測試，該芯片通過了全部美國國家標準與技術研究所(NIST)的測試項。
此外，面向物聯網設備中芯片面積資源和功耗受到嚴格限制的問題，之江實驗室科研團隊與中科院微電子所、復旦大學、工信部電子第五研究所的研究人員合作提出並驗證了基於8層的三維垂直阻變存儲器RRAM(VRRAM)的PUF芯片，以3D結構實現芯片的更高效面積資源利用。團隊首次設計了面向阻變存儲器RRAM的單元原位穩定化電路，使PUF誤碼率小於0.01%@85℃，在125℃下也可穩定工作。該PUF芯片的輸出比特等效面積達到創紀錄的1F?(超過公開報道的國際最優指標)，兼具有抗機器學習攻擊的特徵，是嵌入式應用領域硬件安全的理想解決方案。
“通常芯片的工作環境在零下40℃到120℃，經過驗證，我們設計的這款芯片已經達到了工業應用級別。”楊建國説。
據悉，下一步，之江實驗室的科研團隊將基於PUF芯片的研究基礎，進一步研究突破存算一體化等新型架構芯片，從物理機制層面支撐新型計算範式的實現。(完)