基于8層的三維垂直阻變存儲(chǔ)器RRAM PUF芯片（之江實(shí)驗(yàn)室供圖）

14日，記者從之江實(shí)驗(yàn)室獲悉，之江實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所(下稱中科院微電子所)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在新型架構(gòu)安全芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于物理不可克隆技術(shù)(Physically Unclonable Function，PUF)，完成了2款新型硬件安全芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，芯片相關(guān)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)人類社會(huì)快速邁入“萬物互聯(lián)”時(shí)代，同時(shí)，設(shè)備的安全性問題日益凸顯。

“目前，用于保護(hù)IoT設(shè)備的安全技術(shù)主要基于軟件加密，但存在數(shù)據(jù)易于被訪問、讀取、復(fù)制甚至篡改等問題，黑客攻破軟件防護(hù)的案例也是屢見不鮮?！敝瓕?shí)驗(yàn)室全職雙聘副研究員楊建國(guó)介紹，“我們的研究主要是從硬件層面加固芯片安全，因?yàn)橛布哂懈叩姆来鄹哪芰Γ梢蕴峁┍溶浖叩男湃味群桶踩??！?/p>

基于記憶時(shí)間的PUF芯片（之江實(shí)驗(yàn)室供圖）

此次取得研究突破的新型硬件安全芯片，主要基于PUF的物理不可克隆特性?！癙UF技術(shù)就相當(dāng)于給芯片加上了‘指紋’信息，經(jīng)特殊技術(shù)提取后，可作為芯片的唯一標(biāo)識(shí)信息。這個(gè)指紋是與生俱來的，且每一顆芯片都不同，即便是芯片制造商本身也無法做出兩塊完全一樣的芯片?！睏罱▏?guó)說，可以把PUF理解成硬件秘鑰，讀取芯片數(shù)據(jù)必須要使用這把世界上唯一的秘鑰。因此，PUF為不安全環(huán)境下的芯片認(rèn)證和保護(hù)設(shè)備免受物理攻擊提供了一種有效的方法。

“相較于傳統(tǒng)集成電路的PUF，基于阻變存儲(chǔ)器RRAM的PUF具有功耗低、面積小、可靠性強(qiáng)、隨機(jī)性好等特點(diǎn)，可以兼容CMOS工藝，與芯片設(shè)計(jì)無縫集成，且隨機(jī)性不隨工藝微縮而改變?！睏罱▏?guó)說。

基于RRAM隨機(jī)短期記憶時(shí)間等特性，之江實(shí)驗(yàn)室新型智能計(jì)算系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)與中科院微電子所、復(fù)旦大學(xué)的研究人員合作，從隨機(jī)源的物理模型出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了完整的PUFIP的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。芯片測(cè)試結(jié)果顯示其隨機(jī)性接近理想值。經(jīng)過對(duì)PUF產(chǎn)生的100M比特流的測(cè)試，該芯片通過了全部美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的測(cè)試項(xiàng)。

此外，面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中芯片面積資源和功耗受到嚴(yán)格限制的問題，之江實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)與中科院微電子所、復(fù)旦大學(xué)、工信部電子第五研究所的研究人員合作提出并驗(yàn)證了基于8層的三維垂直阻變存儲(chǔ)器RRAM(VRRAM)的PUF芯片，以3D結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯片的更高效面積資源利用。團(tuán)隊(duì)首次設(shè)計(jì)了面向阻變存儲(chǔ)器RRAM的單元原位穩(wěn)定化電路，使PUF誤碼率小于0.01%@85℃，在125℃下也可穩(wěn)定工作。該P(yáng)UF芯片的輸出比特等效面積達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1F2(超過公開報(bào)道的國(guó)際最優(yōu)指標(biāo))，兼具有抗機(jī)器學(xué)習(xí)攻擊的特征，是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域硬件安全的理想解決方案。

“通常芯片的工作環(huán)境在零下40℃到120℃，經(jīng)過驗(yàn)證，我們?cè)O(shè)計(jì)的這款芯片已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用級(jí)別?！睏罱▏?guó)說。

據(jù)悉，下一步，之江實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)將基于PUF芯片的研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究突破存算一體化等新型架構(gòu)芯片，從物理機(jī)制層面支撐新型計(jì)算范式的實(shí)現(xiàn)。