近日，劉明院士科研團(tuán)隊基于新型存儲器的硬件安全芯片領(lǐng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的爆炸式發(fā)展，連接到云端的設(shè)備數(shù)量越來越多，設(shè)備的安全性問題更加凸顯。每年有大量設(shè)備受到安全威脅和惡意攻擊。物理不可克隆函數(shù)（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，對人工智能芯片保護(hù)具有十分重要的意義。云端訓(xùn)練好的模型經(jīng)簡化后轉(zhuǎn)到邊緣芯片的非易失存儲器上或者實現(xiàn)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(xùn)練好的數(shù)據(jù)被破解或被復(fù)制。 

　　基于阻變存儲器隨機(jī)短期記憶時間，劉明院士團(tuán)隊與之江實驗室、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)，設(shè)計了互補(bǔ)結(jié)構(gòu)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(shù)器和比特流截取電路等關(guān)鍵電路模塊，實現(xiàn)了完整的PUF IP的設(shè)計和驗證。芯片測試結(jié)果顯示，PUF的平均片內(nèi)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(jīng)過對PUF產(chǎn)生的100M比特流進(jìn)行了NIST的測試，該芯片通過了全部NIST測試項。 

　　面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的面積資源和功耗都受到嚴(yán)格限制，且通常被部署在惡劣環(huán)境中。劉明院士科研團(tuán)隊與之江實驗室、復(fù)旦大學(xué)、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RRAM（VRRAM）的PUF芯片。為降低PUF的輸出誤碼率、提升可靠性，團(tuán)隊首次設(shè)計了面向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PUF芯片的輸出比特等效面積達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1F2，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。 

　　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(guān)工作得到國家自然基金委、科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項等項目的支持。  

基于3D RRAM PUF的原理

PUF芯片測試系統(tǒng)