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(lián)合研究團隊在新型架構安全芯片領域取得重要進展。研究團隊基于物理不可克隆技術(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、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術的發(fā)展，推動人類社會快速邁入“萬物互聯(lián)”時代，同時，設備的安全性問題日益凸顯。
“目前，用于保護IoT設備的安全技術主要基于軟件加密，但存在數(shù)據(jù)易于被訪問、讀取、復制甚至篡改等問題，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。”
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。“PUF技術就相當于給芯片加上了‘指紋’信息，經(jīng)特殊技術提取后，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，即便是芯片制造商本身也無法做出兩塊完全一樣的芯片。”楊建國說，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)境下的芯片認證和保護設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。”楊建國說。
基于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(tǒng)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(fā)，實現(xiàn)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(jīng)過對PUF產(chǎn)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(lián)網(wǎng)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并驗證了基于8層的三維垂直阻變存儲器RRAM(VRRAM)的PUF芯片，以3D結構實現(xiàn)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(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到創(chuàng)紀錄的1F2(超過公開報道的國際最優(yōu)指標)，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。
“通常芯片的工作環(huán)境在零下40℃到120℃，經(jīng)過驗證，我們設計的這款芯片已經(jīng)達到了工業(yè)應用級別。”楊建國說。
據(jù)悉，下一步，之江實驗室的科研團隊將基于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范式的實現(xiàn)。(錢晨菲陳航)
關鍵詞： 新型硬件安全芯片
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