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聚焦之江实验室最新动态及媒体关注热点。

来源: 宣传文化中心  作者: 陈航 赵新原  发布日期:2021-01-14
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之江实验室与中科院微电子所合作在新型硬件安全芯片领域取得重要进展


(a)基于3D RRAM PUF的原理;(b)PUF芯片温度可靠性测试结果;

(c)PUF芯片抗机器学习攻击特征测试结果;(d)PUF 芯片照片 

近日,之江实验室、中科院微电子所联合研究团队在新型架构安全芯片领域取得重要进展。研究团队基于物理不可克隆技术(Physically Unclonable Function, PUF),完成了2款新型硬件安全芯片的设计与验证,芯片相关指标达到国际先进水平。基于PUF芯片研究的两篇论文(“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”)成功入选2020年第66届国际电子器件大会(IEDM)。

之江实验室全职双聘副研究员杨建国为两篇论文的第一作者。这也是之江实验室科研成果首次亮相微电子领域国际顶级学术会议。


给芯片加上“指纹”  提升硬件安全防护

5G、云计算、物联网、人工智能等新技术的发展,推动人类社会快速迈入“万物互联”的时代。越来越多的设备接入到物联网当中,在无人驾驶、移动支付等典型应用中,终端设备几乎时时刻刻与云端互联,设备的安全性问题日益凸显。现实中,每年有大量设备受到安全威胁和恶意攻击。“目前,用于保护IoT设备的安全技术主要基于软件加密,但存在数据易于被访问、读取、复制甚至篡改等问题,黑客攻破软件防护的案例也是屡见不鲜。”杨建国解释道,“我们的研究主要是从硬件层面加固芯片安全,因为硬件具有更高的防篡改能力,可以提供比软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技术就相当于给芯片加上了‘指纹’信息,经特殊技术提取后,可作为芯片的唯一标识信息。这个指纹不是烧写进去的,而是与生俱来的,且每一颗芯片都不同,即便是芯片制造商本身也无法做出两块完全一样的芯片。”杨建国进一步解释道,可以把PUF理解成硬件秘钥,读取芯片数据必须要使用这把世界上唯一的秘钥。因此,PUF为不安全环境下的芯片认证和保护设备免受物理攻击提供了一种有效的方法。

“相较于传统集成电路的PUF,基于阻变存储器RRAM的PUF具有功耗低、面积小、可靠性强、随机性好等特点,可以兼容CMOS工艺,与芯片设计无缝集成,且随机性不随工艺微缩而改变。”杨建国说。基于RRAM随机短期记忆时间等特性,之江实验室新型智能计算系统研究团队与中科院微电子研究所、复旦大学的研究人员合作,从随机源的物理模型出发,实现了完整的PUF IP的设计和验证。芯片测试结果显示其随机性接近理想值。经过对PUF产生的100M比特流的测试,该芯片通过了全部美国国家标准与技术研究所(NIST)的测试项。

此外,面向物联网设备中芯片面积资源和功耗受到严格限制的问题,之江实验室科研团队与中科院微电子研究所、复旦大学、工信部电子第五研究所的研究人员合作提出并验证了基于8层的三维垂直阻变存储器RRAM(VRRAM)的PUF芯片,以3D结构实现芯片的更高效面积资源利用。团队首次设计了面向RRAM的单元原位稳定化电路,使PUF误码率小于0.01% @ 85℃,在 125℃下也可稳定工作。该PUF芯片的输出比特等效面积达到创纪录的1F²(超过公开报道的国际最优指标),兼具有抗机器学习攻击的特征,是嵌入式应用领域硬件安全的理想解决方案。

“通常芯片的工作环境在—40℃到120℃,经过验证,我们设计的这款芯片已经达到了工业应用级别。”杨建国说。


化劣势为优势,逆向思维点亮芯片创新

自2019年10月立项以来,在之江实验室新型智能计算系统研究中心项目负责人刘琦教授的带领下,新型架构芯片项目团队一直在攻关新型智能计算架构及芯片领域的关键核心技术。“学界、产业界都很关注新型硬件安全芯片,近年来我们也看到这个领域产出了不少前沿研究成果。如何找到新的研究切入点,以什么样的技术路线去实现,是我们整个团队一直在摸索的问题。”杨建国说。

项目团队自主研发设计的PUF芯片,充分利用了阻变存储器RRAM随机短期记忆时间的特性。RRAM作为一种新型存储器,利用器件的电阻值完成信息的存储,有很多独特的性能优势。但在一定偏置条件下,RRAM的数据存储时间较短,几个微秒或几个毫秒间存储的信息就有可能丢失,且这种存储丢失是不可预知的。“我就在思考,既然无法改变其保持度在一定条件下不好的天然特性,有没有办法将这种劣势转化为优势呢?”杨建国说。正是在这种逆向思维的启发下,项目团队充分研究了RRAM 随机短期记忆时间的物理本质,建立了随机源的物理模型,结合理论分析、实验验证及高性能芯片设计技术,开发出了性能优异的PUF芯片,并最终流片成功,实现了从硬件层面加强芯片的安全保密目标。

回忆近几年的科研经历,杨建国坦言,新型硬件安全芯片的设计没有想象中的一帆风顺,直到2020年8月测试成功之前,团队共经历了3次流片的失败。“芯片设计是个系统性工程问题,需要科研、工程不同序列的同事并肩作战。好在团队中不同学科背景的成员们相互支撑,最终克服了研发过程中的种种困难。”

谈及PUF芯片的应用前景,杨建国很是兴奋。随着人工智能芯片应用的兴起,除了将数据传输至云端,在云端训练、推理或预测结果之外,边缘计算成为当下的发展趋势,这就对端侧设备的安全性提出了很高的要求。在边缘处理器或ASIC专用芯片等端侧器件中加入PUF,可有效防止训练好的数据被破解或被复制。此外,在人工智能、区块链、新一代加密技术、基于概率的计算等应用中,真随机数是必不可少的重要组成部分,PUF可以产生接近理想的真随机数,同时忆阻器与神经突触的特性十分相似,这使得结合PUF技术的新型架构芯片在神经网络、随机计算等新型计算领域有着广泛的应用前景。

下一步,之江实验室的科研团队将基于PUF芯片的研究基础,进一步研究突破存算一体化等新型架构芯片,从物理机制层面支撑新型计算范式的实现。

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