JP6474056B2 - 耐タンパ性を有する不揮発性メモリ装置、集積回路カード、不揮発性メモリ装置の認証方法、不揮発性メモリ装置を用いた暗号化方法および復号化方法 - Google Patents
耐タンパ性を有する不揮発性メモリ装置、集積回路カード、不揮発性メモリ装置の認証方法、不揮発性メモリ装置を用いた暗号化方法および復号化方法 Download PDFInfo
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Description
上述の秘密鍵の保管を実現するために前述のPUF技術が用いられる。PUF技術で得られた個体識別情報である乱数のディジタルIDデータをデバイス暗号鍵として、秘密鍵を暗号化して不揮発性メモリに保存する。ディジタルIDデータは、各ICで異なる乱数であるため、それを用いて暗号化されたデータも各ICで固有のデータ列となる。暗号化された秘密鍵がハッキングなどにより別のICにコピーされたとしても複製できないディジタルIDデータがコピーされないので、もとの秘密鍵を不正利用されることがない。
特徴(1):複製できない物理的な現象から固有のディジタルIDデータ(個体識別情報)を得る。
特徴(2):物理的な現象は動的な回路制御によってのみ得られ、プローブによる直接的な読み取りといった静的な解析によっては必要とされる物理的な現象を得ることはできない。
特徴(3):得られたディジタルIDデータには誤りがあり、誤り訂正回路によってのみ真のIDデータが得られる。
性能(1):ディジタルIDデータに含まれる誤り箇所はランダムに変化し、真のIDデータの予測が困難である。
性能(2):PUF技術によって得られるディジタルIDデータは高い乱数性がありICごとにユニークな固有データとなる。
性能(3):PUF技術を採用するとしても、そのために付加すべき回路のオーバーヘッドが小さく、ディジタルIDデータを生成する際の消費電力が小さい。
性能(4):各データビットを生成する生成回路の並列処理数を多くすることで、サイドチャンネル攻撃への耐性がある。
性能(5):データの誤り率が小さく、誤り訂正回路の回路規模を小さくできる。
性能(6):ディジタルIDデータを生成するタイミングに制約が少なく生成速度が高速である。
本願発明者らは、以上のような課題を解決できる可能性のある新規なディジタルIDデータ生成方法を鋭意検討した。その結果、本願発明者らは、抵抗変化素子の書き込まれた抵抗値が正規分布にばらつく現象を見出し、抵抗値のばらつきから安定的なディジタルIDデータを生成することに想到した。
(本開示で用いる抵抗変化型不揮発性メモリ装置の概要)
図1は、第1実施形態にかかる抵抗変化型不揮発性メモリ装置100の概略構成の一例を示すブロック図である。また、図2は、第1実施形態にかかる抵抗変化型不揮発性メモリ装置100が備えるメモリセルの概略構成の一例を示す断面図である。
図2に示す例において、抵抗変化素子120は、第1電極124と第2電極128との間に抵抗変化層126が介在する構成を有する。抵抗変化層126は、例えば金属酸化物、より詳細には例えば遷移金属酸化物で構成することができる。可変状態にあるメモリセル91の抵抗変化素子120は、第1電極124と第2電極128との間に電気的信号が印加されることによって、第1電極124と第2電極128との間の抵抗値が複数の可変抵抗値範囲の間を可逆的に遷移する性質を有する。
図4は、可変状態にあるバイポーラ型抵抗変化素子の特性の一例を示す図である。図4の素子の構成は、第1電極124の材料がTaN、第2電極128の材料がIr、抵抗変化層126の材料がTaOx(但し、0<x<2.5)で表される組成を有する第1タンタル含有層と、TaOy(但し、x<y)で表される組成を有する第2タンタル含有層とが積層された積層構造を少なくとも有して、第1タンタル含有層が第1電極124に接し、第2タンタル含有層が第2電極128に接している。TaOxは、0.8≦x≦1.9を満足し、TaOyは、2.1≦y≦2.5を満足するように製造されている。第2タンタル含有層の厚みは、8nm以下であり、抵抗変化層126全体の厚みは50nm以下である。各電極への接触面積は図3の測定に用いた抵抗変化素子と等しい。
図3に示す例では、初期抵抗値範囲の下限が、全ての可変抵抗値範囲の上限以上である。具体的には、初期抵抗値範囲の下限が、複数の可変抵抗値範囲のうち抵抗値が最も大きいものの上限以上であってもよい。さらに具体的には、初期抵抗値範囲の下限は、2個の可変抵抗値範囲のうち抵抗値が最も大きい第1抵抗値範囲の上限に等しくてもよい。
次に中央値検出回路25の変形例を説明する。
図25は、本開示の実施形態の変形例を示す。図25の構成要素のうち、図18に記載されている構成要素と同じ構造および/または機能を有するものには同じ参照符号を付して、その説明は省略する。
特徴(1):本開示の抵抗変化型不揮発性メモリ装置において、同一の抵抗値範囲にあるメモリセルの抵抗値のばらつきは、人為的に故意のデータパターンで書き込むことができないため、このような複製できない物理的な現象から固有のディジタルIDデータ(個体識別情報)得ることができる。
特徴(2):本開示の抵抗変化型不揮発性メモリ装置において、ディジタルIDデータ(個体識別情報)に用いる抵抗値ばらつきはセンスアンプにより読み出される。センスアンプを構成するトランジスタには微細プロセス特有のランダムばらつきがあり、並列に読み出す各センスアンプごとのメモリセルの抵抗値情報は絶対値が異なる。従って、物理的に抵抗値を読み取ったとしてもセンスアンプを介して得た抵抗値情報と異なり、物理的には正しいディジタルIDデータを予測できない。すなわち、抵抗値ばらつきの物理的な現象は内部に搭載されているセンスアンプの動的な回路制御によってのみ得られる。
特徴(3):メモリ素子である抵抗変化型メモリセルはパーコレーションモデルに基づく抵抗値揺らぎを備えており、得られたIDデータには誤りがあり、誤り訂正回路によってのみ真のIDデータが得られる。
性能(1):前述の特徴(3)であるデータ誤り現象は、本開示の構成によれば、一回ごとの誤り率は2〜3%と低いものの、累積の誤り率は読み出し回数に応じて14%以上にも増加するため機械学習攻撃に対して極めて強いという良好な特徴をもつ。
性能(2):抵抗値のばらつき分布が標準偏差の正規分布に従ってばらついている為、そこから得られるディジタルIDデータは良好な乱数性を示す。
性能(3):本開示はICおよびSoCに搭載される不揮発性メモリ装置の回路を大部分共用しているため、回路増加が僅かであり、回路オーバーヘッドが小さくかつ、読み出し電流も小さい。
性能(4):本開示はICおよびSoCに搭載される不揮発性メモリ装置を用いているため、並列読み出し数が多い。実施例では32bit並列制御のメモリアレイでデータを取得したが、一回の読み出しが500ns程度であり、生成速度は64Mbpsと非常に高速である。並列読み出し数が多いため、サイドチャネルアタックなどの電磁解析では各ビット状態を特定することが困難でハッキングに対する耐性が高い。
性能(5):専用のメモリセルを用いないSRAM-PUF、およびグリッジPUFのようにデータ誤り率が15%に比べ、本開示の構成によれば誤り率が2〜3%と小さい。このため誤り訂正回路の回路規模を小さくできる。
性能(6):専用のメモリセルを用いないSRAM−PUFのように、電源オン時のみ生成タイミングが制限されず、前述したように並列数によるが、一般的な並列数でも64Mbpsと非常に高速に生成できる。
一つの応用例は、本開示により生成されるディジタルIDデータによる秘密鍵の暗号と、暗号化秘密鍵のフォーミングによる書き込みによるデータ隠蔽、さらに認証方法を開示する。
リーダライタ501は、RAM503と、入出力インタフェース(I/F)部504と、CPU505と、暗号処理回路506と、不揮発性メモリ装置515とを有している。
ICカード502は、入出力インタフェース(I/F)部520と、CPU521と、暗号処理回路522と、RAM523と、不揮発性メモリ装置530とを有している。
10 不揮発性メモリ装置
11 読み出し回路
14 書き込み回路
15 制御回路
16 アドレス入力回路
17 カラムデコーダ回路
18 ロウデコーダ回路
20 メモリセルアレイ
22 メモリ本体部
25 中央値検出回路(演算回路)
310 乱数検定回路
Claims (22)
- 可変状態では、異なる複数の電気的信号の印加に応じて抵抗値が複数の抵抗値範囲の間を不揮発的かつ可逆的に遷移する性質を有する複数のメモリセルがアレイ状に配置されたメモリセルアレイと、
コントロール信号の入力を受け付ける制御回路と、
前記制御回路に入力された前記コントロール信号に基づき、前記複数のメモリセルの少なくとも一部の各々の前記抵抗値に関する複数の抵抗値情報を取得する読み出し回路と、
前記読み出し回路によって取得された前記複数の抵抗値情報に基づいて2値化基準値を算出する演算回路と、を備え、
前記読み出し回路は、前記2値化基準値に基づいて、前記複数の抵抗値情報の各々、および前記複数のメモリセルの前記少なくとも一部と異なる一部の各々の前記抵抗値に関する複数の抵抗値情報の各々の少なくとも一方に対して2つの値から選択的に1つの値を割り当てることにより個体識別情報を生成する、不揮発性メモリ装置。 - 前記複数の抵抗値範囲は、第1抵抗値範囲、および前記第1抵抗値範囲より抵抗値が小さい第2抵抗値範囲を含み、
前記複数のメモリセルの各々は、初期状態では、前記抵抗値が前記第1および第2抵抗値範囲のいずれとも異なる初期抵抗値範囲にあり、
前記複数のメモリセルの各々は、電気的ストレスが印加されることにより、前記初期状態から前記可変状態に変化する、請求項1に記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記演算回路は、前記読み出し回路によって取得された、前記複数の抵抗値情報の中央値を前記2値化基準値として算出する、請求項1または2に記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記読み出し回路は、前記複数の抵抗値情報の各々と、前記演算回路が算出する前記2値化基準値との大小関係に基づいて、複数の第1の誤差情報を取得し、
前記演算回路は、前記複数の第1の誤差情報と所定の係数とに基づいて複数の第2の誤差情報を算出する感度調整回路と、
前記2値化基準値に前記複数の第2の誤差情報を加えることにより、前記2値化基準値を更新する累積加算回路とを含む、請求項1に記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記読み出し回路は、前記複数のメモリセルから第1の所定の数の第1の複数のメモリセルを順次選択し、選択した前記第1の複数のメモリセルの各々の抵抗値に関する第1の複数の抵抗値情報を取得し、前記演算回路は、前記第1の複数の抵抗値情報に基づいて第1の2値化基準値を算出し、
前記読み出し回路は、前記複数のメモリセルから前記第1の所定の数と同じ又は異なる第2の所定の数の第2の複数のメモリセルを順次選択し、選択した前記第2の複数のメモリセルの各々の抵抗値に関する第2の複数の抵抗値情報を取得し、前記第1の2値化基準値に基づいて、前記第2の複数の抵抗値情報の各々に対して前記2つの値から選択的に1つの値を割り当てることにより、第1の個体識別情報を生成する、請求項1から4のいずれかに記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記演算回路は、前記第1の2値化基準値に所定のオフセット値を加算または減算して第2の2値化基準値を取得し、
前記読み出し回路は、前記第2の2値化基準値に基づいて、前記第2の複数の抵抗値情報の各々に対して前記2つの値から選択的に1つの値を割り当てることにより、第2の個体識別情報を生成する、請求項5に記載の不揮発性メモリ装置。 - 誤り訂正およびパリティー生成回路をさらに備え、
前記制御回路は、予め、前記演算回路に前記第1の2値化基準値を算出させ、前記読み出し回路に前記第1の個体識別情報を生成させ、前記誤り訂正およびパリティー生成回路に前記第1の個体識別情報からパリティーデータを生成させ、前記パリティーデータを前記メモリセルアレイ内に保存させ、
使用時に、前記制御回路は、前記演算回路に前記使用時における前記第1の2値化基準値を算出させ、前記読み出し回路に前記使用時における前記第1の個体識別情報を生成させ、前記誤り訂正およびパリティー生成回路に、前記メモリセルアレイ内に保存された前記パリティーデータを用いて前記使用時における前記第1の個体識別情報を訂正させ、第3の個体識別情報を取得する、請求項5に記載の不揮発性メモリ装置。 - データの乱数性を検定する乱数検定回路をさらに備え、
前記乱数検定回路は、前記第1の個体識別情報が所定の乱数の基準を満足しているか否かを検定するとともに検定結果を出力する、請求項5に記載の不揮発性メモリ装置。 - 暗号化および復号化を行う暗号処理回路をさらに備え、
前記暗号処理回路は、前記個体識別情報を暗号鍵として用いて、入力されたデータを暗号化して暗号化データを生成し、
前記暗号化データが前記メモリセルアレイに第1種データおよび第2種データの少なくとも一方として記憶され、
前記第1種データは、前記複数のメモリセルの各々が前記初期状態にあるか前記可変状態にあるかを示しており、
前記第2種データは、前記複数のメモリセルの各々の前記抵抗値が前記第1抵抗値範囲にあるか第2抵抗値範囲にあるかを示している、請求項2に記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記読み出し回路は、記憶された前記暗号化データ、および前記個体識別情報を読み出して前記暗号処理回路に送信し、
前記暗号処理回路は、前記個体識別情報を復号鍵として前記暗号化データを復号化する、請求項9に記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記複数のメモリセルの各々は、
第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に介在する抵抗変化層を有する抵抗変化素子と
を備える、請求項1から10のいずれかに記載の不揮発性メモリ装置。 - 前記抵抗変化層は、絶縁体で構成された層を含む、請求項11に記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記抵抗変化層は、前記絶縁体で構成された層を貫く導電パスを有する、請求項12に記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記抵抗変化層は、金属酸化物を含む材料によって構成される、請求項11から13のいずれかに記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記抵抗変化層は、酸素不足型の金属酸化物を含む材料によって構成された層を含む、請求項11から13のいずれかに記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記金属酸化物は、遷移金属酸化物およびアルミニウム酸化物の少なくとも一方である、請求項14または15に記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記金属酸化物は、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物およびジルコニウム酸化物の少なくとも一つである、請求項14または15に記載の不揮発性メモリ装置。
- 前記絶縁体は金属酸化物を含み、
前記導電パスは、前記金属酸化物よりも酸素含有率が低い酸素不足型の金属酸化物を有する、請求項13に記載の不揮発性メモリ装置。 - 可変状態では、異なる複数の電気的信号の印加に応じて抵抗値が複数の抵抗値範囲の間を不揮発的かつ可逆的に遷移する性質を有する複数のメモリセルがアレイ状に配置されたメモリセルアレイと、
コントロール信号の入力を受け付ける制御回路と、
前記制御回路に入力された前記コントロール信号に基づき、前記複数のメモリセルの少なくとも一部の各々の前記抵抗値に関する複数の抵抗値情報を取得する読み出し回路と、
前記読み出し回路によって取得された前記複数の抵抗値情報に基づいて2値化基準値を算出する演算回路と、を備え、
前記読み出し回路は、前記2値化基準値に基づいて、前記複数の抵抗値情報の各々、および前記複数のメモリセルの前記少なくとも一部と異なる一部の各々の前記抵抗値に関する複数の抵抗値情報の各々の少なくとも一方に対して2つの値から選択的に1つの値を割り当てることにより個体識別情報を生成する、不揮発性メモリ装置と、
前記コントロール信号が入力され、前記個体識別情報に関連する情報が出力される入出力インタフェース部と、を備えた集積回路カード。 - 請求項6に記載の不揮発性メモリ装置が正規の装置であることを認証するための認証方法であって、
複数の前記所定のオフセット値を用いて、各オフセット値に応じて異なる個体識別情報を生成して外部装置に保持し、
出荷後、前記不揮発性メモリ装置が使用されるときに、外部から入力されたオフセット値を特定するチャレンジデータを利用して個体識別情報を生成し、
生成した前記個体識別情報を前記外部装置に送信し、
生成した前記個体識別情報と、予め前記外部装置に保持されていた個体識別情報とが一致しているか否かを判断し、
一致している場合には、前記不揮発性メモリ装置が正規の装置であるとして認証する、
不揮発性メモリ装置の認証方法。 - 請求項5に記載の不揮発性メモリ装置を用いた暗号化方法であって、
前記不揮発性メモリ装置は、暗号化および復号化を行う暗号処理回路をさらに備え、
前記不揮発性メモリ装置にデータを入力し、
入力された前記データを、前記暗号処理回路が、前記個体識別情報を暗号鍵として用いて暗号化して暗号化データを生成し、
前記暗号化データを記憶する、暗号化方法。 - 請求項21に記載の暗号化方法によって暗号化された暗号化データの復号化方法であって、
記憶された前記暗号化データを受け取り、
前記不揮発性メモリセルのアレイから、前記個体識別情報を読み出し、
前記暗号処理回路が、前記個体識別情報を復号鍵として用いて前記暗号化データを復号化する、復号化方法。
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