[发明专利]一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置

说明书

本发明公开了一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置，所述方法从MRAM芯片中任意选择一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元，依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图，利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。本发明的装置包括初始化模块、参考位元选择模块、比较模块和PUF生成模块。本发明的方法及装置，生成的PUF函数的数量和复杂程度与芯片的容量成正比。

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置。

背景技术

物理不可克隆函数(PUF)是一种应用在计算机芯片安全领域的先进技术，利用每一个芯片本征的物理独特性为其生成专属的识别标识。通常PUF可以利用芯片在材料级别的独特性生成芯片的专属标识。在芯片制造过程中，由于工艺的波动，在每一个芯片中将不可避免地引入不同类型的偏差，理论上这些偏差是随机分布的，而且每一个芯片的偏差分布都是不可控的，因此很难找到两个细节上完全相同的芯片。对芯片实施一个针对其偏差的激励，芯片会产生一个响应，由于芯片物理偏差的随机性，芯片对激励的响应也将具有随机性和不可预测性。因此，利用芯片偏差的独特性和不可复制性，可以生产芯片专属的PUF响应。

MRAM是一种非易失随机存取存储器，与传统的存储器不同，MRAM利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心存储位元是磁隧道结(MTJ)。图1是典型的MRAM存储位元结构，MTJ主要由钉扎层110，绝缘势垒层120和自由层130组成。钉扎层110也称为参考层，它的磁矩方向保持不变，仅改变自由层130的磁矩方向使之与钉扎层110同向或反向。MTJ依靠量子隧穿效应使电子通过绝缘势垒层120，极化电子的隧穿概率和钉扎层110与自由层130的相对取向有关。当钉扎层110与自由层130磁化方向相同时，电子的隧穿概率较高，此时MTJ表现为低电阻状态(Rp)；而当钉扎层110与自由层130磁化方向相反时，电子的隧穿概率较低，此时MTJ表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ的Rp和Rap状态来表示逻辑状态“1”和“0”，从而实现数据存储。

在MRAM制造过程中，很难保证每一个MTJ位元完全相同。MTJ结构的电阻除了与自由层和钉扎层的相对取向有关外，还受到MRAM制造过程中的工艺偏差的影响，包括薄膜厚度，位元大小，薄膜均一性及界面结构等的偏差都会导致MTJ位元电阻的波动。由制造工艺引起的偏差导致MTJ位元电阻并不是一个确定值，而是具有一定的分布。由于工艺偏差本身的随机性和不可预测性，MTJ电阻的分布也呈现随机性。如图2所示，通常认为Rp和Rap呈高斯分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置，选取任意一个磁性隧道结位元作为参考位元，与存储阵列中的其他磁性隧道结位元比较相同状态下的电阻大小，并将每一个比较结果标记为0或1，由于每一个磁性隧道结的电阻偏差随机分布，所以用此方法可以得到一组随机数，且该随机数可以作为物理不可克隆函数，用作芯片的PUF响应。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，所述方法包括：

将MRAM芯片初始化为低阻态或高阻态；

从MRAM芯片中选择任意一个MTJ位元作为参考位元；

依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；

利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。

进一步地，所述MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，还包括：

从MRAM芯片中选取另一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；