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科研動態

微電子所在新型安全芯片領域取得進展

稿件來源:重點實驗室 楊建國、張康瑋 發布時間:2020-12-31

  近日,劉明院士科研團隊基于新型存儲器的硬件安全芯片領域的兩篇研究論文成功入選2020年第66屆國際電子器件大會(IEDM)。 

      隨著物聯網技術的爆炸式發展,連接到云端的設備數量越來越多,設備的安全性問題更加凸顯。每年有大量設備受到安全威脅和惡意攻擊。物理不可克隆函數(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,對人工智能芯片保護具有十分重要的意義。云端訓練好的模型經簡化后轉到邊緣芯片的非易失存儲器上或者實現為專用芯片(ASIC),在邊緣處理器或者ASIC中加入PUF,可有效防止訓練好的數據被破解或被復制。 

  基于阻變存儲器隨機短期記憶時間,劉明院士團隊與之江實驗室、復旦大學的研究人員合作,從隨機源的物理模型出發,設計了互補結構阻變單元陣列熵源、片上測量電路、軟編程電路、記憶時間計數器和比特流截取電路等關鍵電路模塊,實現了完整的PUF IP的設計和驗證。芯片測試結果顯示,PUF的平均片內漢明距離為0.49993,平均片間漢明距離為0.0009,均接近理想值。經過對PUF產生的100M比特流進行了NIST的測試,該芯片通過了全部NIST測試項。 

  

  面向物聯網設備中的面積資源和功耗都受到嚴格限制,且通常被部署在惡劣環境中。劉明院士科研團隊與之江實驗室、復旦大學、電子5所的研究人員合作提出并驗證了基于8的三維垂直RRAMVRRAM)的PUF芯片。為降低PUF的輸出誤碼率、提升可靠性,團隊首次設計了面向RRAM的單元原位穩定化電路,使PUF誤碼率小于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1F2,兼具有抗機器學習攻擊的特征,是嵌入式應用領域硬件安全的理想解決方案。 

  基于上述兩項研究成果的論文“A Novel PUF Using Stochastic Short-Term Memory Time of Oxide-Based RRAM for Embedded Applications”、“A Machine-Learning-Resistant 3D PUF with 8-layer Stacking Vertical RRAM and 0.014% Bit Error Rate Using In-Cell Stabilization Scheme for IoT Security Applications”入選2020 IEDM。微電子所楊建國副研究員為兩篇論文的第一作者。 

  相關工作得到國家自然基金委、科技部重點研發計劃、中國科學院B類先導專項等項目的支持。  

基于3D RRAM PUF的原理

PUF芯片測試系統 

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