ISSCC2019｜清华大学团队成功研制基于忆阻器的PUF芯片

2019 年 2 月 24 日 知社学术圈

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2月20日，正在美国旧金山召开的第66届国际固态电路会议（ISSCC 2019）上，清华大学微电子学研究所钱鹤、吴华强教授团队报道了国际首个基于阻变存储器（RRAM）的可重构物理不可克隆函数（PUF）芯片设计，该芯片在可靠性、均匀性以及芯片面积上相对于之前工作都有明显提升，且具有独特的可重构能力。

随着智能硬件的广泛普及，半导体供应链安全威胁的增加，硬件安全已经变得越来越重要。仅基于软件的安全防护已经不能满足需求。近年来，物理不可克隆函数（PUF）已经成为一种新的硬件安全防护手段。集成电路PUF可以利用器件固有的随机性（如工艺的随机性）在特定的激励下产生不可预测的响应，进而充当了唯一性识别芯片的硬件“指纹”。

阻变存储器（RRAM）是一种新型的存储器，其利用器件的电阻值完成对信息的存储。相比于传统的闪存（flash）以及动态随机存储器（DRAM），RRAM具有高速、低功耗、面积小等多项优势，是新一代高性能存储器的重要候选人之一。此外，RRAM因其所特有的类神经元特性也被广泛用于类脑计算领域。RRAM的工作原理是基于导电细丝的断裂与生长，而这个过程存在较强的随机性，进而使RRAM的电阻存在器件与器件之间（D2D）以及循环与循环之间（C2C）的随机性，而这些随机特性也使其适用于硬件安全方面的应用。

高精度SA设计

传统的集成电路PUF多是利用器件制造过程中的工艺随机偏差来产生特异性随机输出，但这种方法存在两个明显的缺点：首先，工艺的偏差存在一定的固有偏执，导致PUF输出的随机性不足。此外，由于工艺偏差直接产生于集成电路制造过程中，一旦产生则不可进行改变，进而导致PUF的输出不可进行重构。在这种情况下，当PUF遭遇多次攻击或寿命用尽时，被PUF保护的硬件则会重新遭遇硬件安全威胁。针对以上挑战，清华大学微电子学研究所博士研究生庞亚川在ISSCC上介绍了一种基于RRAM电阻随机性的可重构物理不可克隆函数芯片设计。

芯片照片

该报告提出了一种电阻差分方法用于产生PUF输出以消除工艺固有偏差以及电压降（IR drop）的不利影响。为了在电路层次实现该方法，该团队设计了一款高精度的灵敏放大器电路以精确比较两个RRAM器件的电阻。此外，由于RRAM的C2C随机性，使该PUF拥有了独特的可重构能力。大量的测试数据显示所设计的RRAM PUF与之前的工作相比，具有最低的原始比特错误率、最小的单元面积、最好的均匀性以及独特的可重构能力。

测试系统

总体来看，由于非电学PUF无法有效与集成电路集成，因此，电学PUF依然是开发的重点。比如，SRAM PUF是商用程度最高的PUF，具有易于实现、兼容性好的优势，但不能有效抵抗光电攻击、存在固有偏差等。相对而言，基于NVM的PUF（如RRAM PUF）可以有效平衡以上优缺点，可以实现极低的原始比特错误率、较好的抗物理攻击能力以及可重构性，具有很好的发展潜力。