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，清華大學微電子學研究所錢鶴、吳華強教授團隊報道了國際首個基于阻變存儲器（RRAM）的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)（PUF）芯片設計，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，且具有獨特的可重構(gòu)能力。

隨著智能硬件的廣泛普及，半導體供應鏈安全威脅的增加，硬件安全已經(jīng)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)（PUF）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”。

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算領(lǐng)域。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，進而使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）的隨機性，而這些隨機特性也使其適用于硬件安全方面的應用。

高精度SA設計

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偏差來產(chǎn)生特異性隨機輸出，但這種方法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。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)生則不可進行改變，進而導致PUF的輸出不可進行重構(gòu)。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。針對以上挑戰(zhàn)，清華大學微電子學研究所博士研究生龐亞川在ISSCC上介紹了一種基于RRAM電阻隨機性的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)芯片設計。

芯片照片

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。此外，由于RRAM的C2C隨機性，使該PUF擁有了獨特的可重構(gòu)能力。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(gòu)能力。

測試系統(tǒng)

總體來看，由于非電學PUF無法有效與集成電路集成，因此，電學PUF依然是開發(fā)的重點。 比如，SRAM PUF是商用程度最高的PUF，具有易于實現(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，可以實現(xiàn)極低的原始比特錯誤率、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，是集成電路設計領(lǐng)域最高級別的學術(shù)會議，素有“集成電路領(lǐng)域的奧林匹克”之稱。