CN117521163A - 一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法，属于半导体和CMOS混合集成电路技术领域。由于处于高阻态的互补阻变忆阻器有两种不同的状态，且不同状态下的高阻器件对外界激励的响应不同，一种高阻态只可以施加正向电压操作，另一种高阻态只可以施加负向电压操作，基于互补阻变忆阻器构建物理不可克隆函数时的高阻器件都处于相同的状态，可以根据器件所处的状态使用正向脉冲电压或负向脉冲电压实现对物理不可克隆函数进行重构、隐藏或者恢复。因此，基于互补阻变忆阻器构建的物理不可克隆函数具有更高的安全性，有望广泛应用于高安全性的硬件安全保护系统中。
Description
技术领域
本发明属于半导体(semiconductor)和CMOS混合集成电路技术领域，具体涉及一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法。
背景技术
信息技术的不断进步推动了物联网和云计算等领域的快速发展，促进了互联网络和智能电子设备规模的空前扩张。然而，可访问互联网络的电子设备极易受到硬件盗版、假冒和木马植入的威胁，进而导致敏感信息的泄露，并造成不可估量的经济损失。SonicWall的年度报告指出，仅2022年上半年，针对物联网的恶意攻击软件就超过了120万个，相比去年增加了77％。因此，硬件安全系统的重要性日益凸显。
作为新兴的硬件安全原语，物理不可克隆函数主要基于硬件电路制造过程中，工艺的随机偏差导致的器件物理特性的固有变化进行设计和实现，因此易于制备。同时，由于不可预测的随机工艺偏差的存在，即使采取相同的工艺制备条件，原始制造商也无法克隆出完全一样的硬件系统。因此，物理不可克隆函数广泛应用于硬件安全保护领域。
过渡金属氧化物型忆阻器结构简单，面积较小，耐久性强，能耗较低，同时制备工艺与CMOS兼容，因此得到了众多关注。由于制备工艺的偏差和导电细丝型的阻变机理，过渡金属氧化物型忆阻器在开关时间和操作电压等方面存在不可避免的本征波动。这些波动可作为理想的随机源用于硬件安全系统的实现。与传统的硬件安全系统相比，忆阻器型安全系统在面积和功耗等方面优势明显。为了进一步提升忆阻器型物理不可克隆函数的安全性，人们利用双极型忆阻器优良的耐久特性和操作之间的随机性，实现了可重构的物理不可克隆函数，有效提升了物理不可克隆函数的安全性。
然而，传统的物理不可克隆函数存储的数据在物理上是可访问的。随着攻击手段的发展，攻击者可以通过先进的微程序和复杂的分析方法，利用泄漏的侧信道信息对物理不可克隆函数存储的数据进行窃取，进而对其进行破解。因此，通过全新的方法，赋予物理不可克隆函数可隐藏和可恢复的能力，只有在需要使用时对物理不可克隆函数进行恢复，并在闲置时隐藏其存储的数据。这样可以有效地避免攻击者对存储数据进行窃取，提升物理不可克隆函数的抗攻击能力。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法，互补阻变忆阻器因为不同状态的高阻态器件内部的氧空位分布不同，根据所受激励的不同，处于高阻态的互补阻变忆阻器能够存储不同的状态，且不同状态下的高阻器件对外界激励的响应不同，这一特性既可赋予物理不可克隆函数可隐藏可恢复的能力，同时又能够有效消除器件中原始的导电细丝，实现器件内部氧空位的重分布，进而赋予物理不可克隆函数可重构的特性。因此，基于该忆阻器构建的物理不可克隆函数具有更高的安全性。
本发明的技术方案如下：
一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法，其特征在于，采用1R、1T1R结构的忆阻器阵列，该阵列的字线和位线互相垂直交叉，交叉点处为互补阻变忆阻器，所述互补阻变忆阻器的电学特性包括S1、S2、S3、S4四种状态，其中S1和S3为高阻态、S2和S4为低阻态，方法具体步骤如下：
A.构建物理不可克隆函数
A1、在忆阻器阵列中选择要写入的互补阻变忆阻器，施加脉冲信号，改变器件阻值；
A2、统计忆阻器阵列中器件阻值的分布，设定参考阻值为阻值分布中的中间值，当忆阻器阻值大于该参考阻值时，将器件置为高阻态S1或S3；当忆阻器的阻值小于该参考阻值时，将器件置为低阻态S2或S4；设定的参考阻值使得忆阻器阵列中互补阻变忆阻器处于高阻值和低阻值各占50％；忆阻器阵列中所有高阻器件所处状态一致，根据忆阻器阵列中互补阻变忆阻器状态的不同，将物理不可克隆函数分为两类M1和M2，M1的阵列中高阻器件均处于状态S1，低阻态器件均处于状态S2；M2的阵列中高阻器件均处于状态S3，低阻态器件均处于状态S4；
A3、当忆阻器阵列有M条字线，N条位线时，物理不可克隆函数的挑战为M+N位，其中前M位用于字线的选择，有M/2位为1，M/2位为0，后N位用于位线的选择，前N/2位有1位为1，后N/2位有1位为1；
A4、对于任意的挑战，使用M/2个周期完成全部响应的产生，共产生M/2个响应位，每个周期中，选择前M位挑战中的1个“1”挑战，用于对应行的选通；同时根据后N位中的2个“1”挑战，选通对应的两列；
A5、分别读出第m行第n1列的互补阻变忆阻器的电流I1和第m行第n2列的互补阻变忆阻器的电流I2，比较I1和I2的大小，当I1＝I2时，输出响应为1；当I1≠I2时，输出响应为0，以此类推，得到全部的M/2位响应值，实现构建物理不可克隆函数；
B.在步骤A中实现的物理不可克隆函数M1或M2，对M1重构时，使用负向脉冲信号进行重构，对M2重构时，使用正向脉冲信号进行重构，具体步骤如下：
B1、对于忆阻器阵列中的所有器件，选择要写入的互补阻变忆阻器，每次选择一个器件；
B2、施加读取电压，读取出器件的阻值，若器件为高阻值，则跳过；若为低阻值，则进一步施加负向或正向脉冲信号，使器件变为高阻值；
B3、对忆阻器阵列高阻值器件都处于状态S1的M1类物理不可克隆函数，使用负向脉冲电压对阵列所有器件进行写入操作，将器件重新写为S3高阻态；当高阻值器件都处于状态S3的M2类物理不可克隆函数，使用正向脉冲电压对阵列所有器件进行写入操作，将器件重新写为S1高阻态；
B4、再按照A中所述的物理不可克隆函数构建方法重构为新的物理不可克隆函数；
C.隐藏物理不可克隆函数
C1、对M1类物理不可克隆函数的隐藏：选择忆阻器阵列里的每一个低阻器件，使用负向脉冲电压将低阻器件重置为高阻态，即可实现物理不可克隆函数M1的隐藏；
C2、对M2类物理不可克隆函数的隐藏：选择忆阻器阵列里的每一个低阻器件，使用正向脉冲电压将低阻器件重置为高阻态，即可实现物理不可克隆函数M2的隐藏；
D.恢复物理不可克隆函数
D1、对M1类物理不可克隆函数的恢复：每次选择一个器件，使用正向脉冲进行操作，对于能够发生阻变的器件，使其置为低阻态；直至操作完所有器件，即可实现M1的恢复；
D2、对M2类物理不可克隆函数的恢复：每次选择一个器件，使用负向脉冲进行操作，对于能够发生阻变的器件，使其置为低阻态；直至操作完所有器件，即可实现M2的恢复。
进一步，所述互补阻变忆阻器包括顶电极、介质层、介质层和底电极，其中两个介质层由具有不同氧含量的同一种过渡金属氧化物上下叠加构成，其结构是金属-绝缘体-绝缘体-金属电容结构，或是金属-半导体-半导体-金属电容结构。
进一步，所述顶电极或底电极采用Pt、Al、Au、W、Cu或TiN材料。
进一步，所述介质层的过渡金属氧化物材料为TaOx、HfOx或AlOx。
本发明提供的一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数实现方法，利用互补阻变忆阻器独特的阻变特性，赋予物理不可克隆函数可隐藏、可恢复的能力；同时又能够有效消除器件中原始的导电细丝，实现器件内部氧空位的重分布，进而赋予物理不可克隆函数可重构的特性。因此，基于该忆阻器构建的物理不可克隆函数具有更高的安全性，能有效抵抗外部对数据的窃取，有望广泛应用于高安全性的硬件安全保护系统中。
附图说明
图1是本发明互补阻变忆阻器的结构示意图；其中1—顶电极；2—上介质层A；3—下介质层B；4—底电极；
图2是本发明互补阻变忆阻器的典型电学特性；
图3是本发明具体实施例中的互补阻变忆阻器阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步清楚、完整地阐述本发明。
图1是本发明采用的互补阻变忆阻器的典型结构图和结构材料说明。该类型典型器件的两个介质层由具有不同氧含量的同一种过渡金属氧化物(如TaOx和TaOy，x≠y)构成。互补阻变忆阻器的典型电学特性如图2所示。器件处于高阻中的S3状态时，不受负向电压的作用，只有在施加正向电压时，才会出现阻变现象，如图2右半部分所示。随着正向电压的施加，器件的阻值先逐渐减小，达到S4状态。随着进一步增大正向电压，器件阻值重新增大，并最终达到高阻态，此时的高阻态为S1状态。S1状态下的高阻态不受正向电压的作用，只有在施加负向电压时，才会出现阻变现象。随着负向电压的施加，器件的阻值先逐渐减小，达到S2状态(S2状态与S4状态相同)。随着进一步增大负向电压，器件阻值重新增大，并最终达到高阻态，此时的高阻态为S3状态。值得注意的是，具有类似电学特性的忆阻器件均包含在本发明所述的互补阻变忆阻器的范畴内。图3是适用于本发明采用的阵列结构，1R结构和1T1R等结构的忆阻器阵列均适用。
根据忆阻器阵列中互补阻变忆阻器状态的不同，将物理不可克隆函数分为两类M1和M2，M1的阵列中的高阻器件均处于状态S1，低阻态器件均处于状态S2；M2的阵列中的高阻器件均处于状态S3，低阻态器件均处于状态S4；本发明以32x32大小的阵列构建的M1型物理不可克隆函数为例，具体阐释提出的实现方法。
1、构建
1)对于阵列中的所有器件，利用行列选择器等电路，每次选择一个器件；
2)对选择的器件施加负向脉冲信号，改变器件阻值；
3)统计忆阻器阵列中器件阻值的分布，设定参考阻值为阻值分布中的中间值，当忆阻器阻值大于该参考阻值时，将器件置为高阻态S1；当忆阻器的阻值小于该参考阻值时，将器件置为低阻态S2；设定的参考阻值使得忆阻器阵列中互补阻变忆阻器处于高阻值和低阻值各占50％；
3)忆阻器阵列有32条字线，32条位线，物理不可克隆函数的挑战为64位，其中前32位用于字线的选择，有16位为“1”，16位为“0”，后32位用于位线的选择，前16位中有1位为“1”，后16位有1位为“0”，“1”指施加电压；“0”指不施加读取电压；
4)对于任意的挑战，使用16个周期完成全部响应的产生，共产生16个响应位，每个周期中，选择前32位挑战中的1个“1”挑战，施加电压，用于对应行的选通(记为第m行)；同时根据后N位中的2个“1”挑战，施加电压，选通对应的两列(记为第n1和n2列)；
5)分别读出第m行第n1列的自互补阻变忆阻器的电流I1和第m行第n2列的互补阻变忆阻器的电流I2，比较I1和I2的大小，当I1＝I2时，输出响应为1；当I1≠I2时，输出响应为0，以此类推，得到全部的16位响应值，实现物理不可克隆函数。
2、重构
1)对于阵列中的所有器件，利用行列选择器等电路，每次选择一个器件；
2)施加读取电压，读取出器件的阻值，若器件为高阻值，则跳过；若为低阻值，则进一步施加正向脉冲信号，使器件变为高阻值；
3)所有器件置为高阻值后，使用负向脉冲电压对阵列所有器件进行写入操作，将其写入到新的高阻态；
4)按照1中所述的物理不可克隆函数构建方法重构为新的物理不可克隆函数。
3、隐藏
1)对于阵列中的所有器件，利用行列选择器等电路，每次选择一个器件；
2)施加读取电压，读取出器件的阻值，若器件为高阻值，则跳过；若为低阻值，则进一步施加负向脉冲信号，使器件变为高阻值；
3)所有器件置为高阻值后，即实现了物理不可克隆函数M1的隐藏。
4、恢复
1)对于阵列中的所有器件，利用行列选择器等电路，每次选择一个器件；
2)使用正向脉冲进行操作，对于能够发生阻变的器件，使其置为低阻态；若不能发生阻变，则跳过；
3)操作完所有器件后，即实现了物理不可克隆函数M1的恢复。
最后，需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数的实现方法，其特征在于，采用1R、1T1R结构的忆阻器阵列，该阵列的字线和位线互相垂直交叉，交叉点处为互补阻变忆阻器，所述互补阻变忆阻器的电学特性包括S1、S2、S3、S4四种状态，其中S1和S3为高阻态、S2和S4为低阻态，方法具体步骤如下：
A.构建物理不可克隆函数
A1、在忆阻器阵列中选择要写入的互补阻变忆阻器，施加脉冲信号，改变器件阻值；
A2、统计忆阻器阵列中器件阻值的分布，设定参考阻值为阻值分布中的中间值，当忆阻器阻值大于该参考阻值时，将器件置为高阻态S1或S3；当忆阻器的阻值小于该参考阻值时，将器件置为低阻态S2或S4；忆阻器阵列中所有高阻器件所处状态一致，根据忆阻器阵列中互补阻变忆阻器状态的不同，将物理不可克隆函数分为两类M1和M2，M1的阵列中高阻器件均处于状态S1，低阻态器件均处于状态S2；M2的阵列中高阻器件均处于状态S3，低阻态器件均处于状态S4；
A3、当忆阻器阵列有M条字线，N条位线时，物理不可克隆函数的挑战为M+N位，其中前M位用于字线的选择，有M/2位为1，M/2位为0，后N位用于位线的选择，前N/2位有1位为1，后N/2位有1位为1；
A4、对于任意的挑战，使用M/2个周期完成全部响应的产生，共产生M/2个响应位，每个周期中，选择前M位挑战中的1个“1”挑战，用于对应行的选通；同时根据后N位中的2个“1”挑战，选通对应的两列；
A5、分别读出第m行第n1列的互补阻变忆阻器的电流I1和第m行第n2列的互补阻变忆阻器的电流I2，比较I1和I2的大小，当I1＝I2时，输出响应为1；当I1≠I2时，输出响应为0，以此类推，得到全部的M/2位响应值，实现构建物理不可克隆函数；
B.在步骤A中实现的物理不可克隆函数M1或M2，对M1重构时，使用负向脉冲信号进行重构，对M2重构时，使用正向脉冲信号进行重构，具体步骤如下：
B1、对于忆阻器阵列中的所有器件，选择要写入的互补阻变忆阻器，每次选择一个器件；
B2、施加读取电压，读取出器件的阻值，若器件为高阻值，则跳过；若为低阻值，则进一步施加负向或正向脉冲信号，使器件变为高阻值；
B3、对忆阻器阵列高阻值器件都处于状态S1的M1类物理不可克隆函数，使用负向脉冲电压对阵列所有器件进行写入操作，将器件重新写为S3高阻态；当高阻值器件都处于状态S3的M2类物理不可克隆函数，使用正向脉冲电压对阵列所有器件进行写入操作，将器件重新写为S1高阻态；
B4、再按照A中所述的物理不可克隆函数构建方法重构为新的物理不可克隆函数；
C.隐藏物理不可克隆函数
C1、对M1类物理不可克隆函数的隐藏：选择忆阻器阵列里的每一个低阻器件，使用负向脉冲电压将低阻器件重置为高阻态，即可实现物理不可克隆函数M1的隐藏；
C2、对M2类物理不可克隆函数的隐藏：选择忆阻器阵列里的每一个低阻器件，使用正向脉冲电压将低阻器件重置为高阻态，即可实现物理不可克隆函数M2的隐藏；
D.恢复物理不可克隆函数
D1、对M1类物理不可克隆函数的恢复：每次选择一个器件，使用正向脉冲进行操作，对于能够发生阻变的器件，使其置为低阻态；直至操作完所有器件，即可实现M1的恢复；
D2、对M2类物理不可克隆函数的恢复：每次选择一个器件，使用负向脉冲进行操作，对于能够发生阻变的器件，使其置为低阻态；直至操作完所有器件，即可实现M2的恢复。
2.如权利要求1所述的一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数实现方法，其特征在于，所述构建物理不可克隆函数步骤中设定的参考阻值使得忆阻器阵列中互补阻变忆阻器处于高阻值和低阻值各占50％。
3.如权利要求1所述的一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数实现方法，其特征在于，所述互补阻变忆阻器包括顶电极、介质层、介质层和底电极，其中两个介质层由具有不同氧含量的同一种过渡金属氧化物上下叠加构成，其结构是金属-绝缘体-绝缘体-金属电容结构，或是金属-半导体-半导体-金属电容结构。
4.如权利要求1所述的一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数实现方法，其特征在于，所述顶电极或底电极采用Pt、Al、Au、W、Cu或TiN材料。
5.如权利要求1所述的一种基于互补阻变忆阻器的物理不可克隆函数实现方法，其特征在于，所述介质层的过渡金属氧化物材料为TaOx、HfOx或AlOx。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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