[发明专利]一种物理不可克隆函数电路及其应用

说明书

本发明提供了一种物理不可克隆函数电路及其应用，属于新型存储与计算技术领域。本发明通过非单调的双极转移特性和非易失的阈值电压调制，在单个器件完成PUF所需的同或/异或操作，将所需的硬件代价降至最低。本发明不仅利用了阈值可调晶体管在编程后电压调制的物理随机机制，即同一个晶体管在经历两次相同的预编程后，中间阈值状态也存在一定的随机差异，实现了挑战‑响应对的可重构能力；还将最常见的多行多列晶体管阵列直接整合到PUF结构中，大大简化了电路设计和工作步骤。

技术领域

本发明涉及物理不可克隆函数设计技术领域，具体涉及一种基于新型非易失器件的低功耗、可重构物理不可克隆函数的电路结构及可重构注册和验证方法。

背景技术

随着现代信息技术和集成电路制造技术的高速发展，人们在国防军事、商业保密、民用医用等领域对硬件安全的需求愈发显著。特别是在物联网蓬勃扩张的今天，全球物联网设备接入数量已逾200亿，越来越多的边缘端硬件设备成为了易受外部攻击的关键端点。为了应对潜在安全风险，人们提出了利用物理不可克隆函数(PUF)以实现用户认证、密钥生成等应用。PUF作为一个物理实体，可以对给定的输入信号(挑战信号)进行外部不可探测、数学不可预测的黑箱处理，进而转变为输出信号(响应信号)。PUF的输入-输出信号(挑战-响应对)的映射关系作为物理实体的“指纹”即可用来确认设备或用户的合法身份。

由于“指纹”仅由PUF内部的物理差异和制造偏差决定，且其具备防篡改、不可建模、抗碰撞和可复现等性质，PUF在提出之际即受到了硬件安全领域研究者的高度关注。人们先后提出了基于延时的仲裁器Arbiter-PUF、基于振荡频率的环形振荡器RO-PUF等传统CMOS器件方案；基于阻变随机存储器RRAM-PUF、基于磁性随机存储器MRAM-PUF、基于铁电晶体管FeFET-PUF等新型非易失NVM器件方案。

然而，现有PUF实现技术均存在一定不足：在一方面，基于CMOS的方案需要较复杂的电路设计，带来的硬件和功耗开销限制了其在边缘端物联网设备的部署，其还存在着基于制造工艺偏差随机性带来的挑战-响应对不可重构问题(因为工艺随机机制是不可重构的)；在另一方面，现有基于NVM的方案在编程和注册时步骤复杂，且物理涨落带来较大验证误差。这些问题都给PUF的实现，特别是在边缘端的应用提出了新的挑战。结合上述分析，实现具备低功耗低电路开销、可重构能力好的高稳定性强PUF电路结构设计，具有十分显著的意义。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提出了一种基于具备双极特性的阈值可调场效应晶体管阵列的物理不可克隆函数及其挑战-响应对产生方法，相较于此前报道的基于各种CMOS或NVM器件设计的PUF结构，本发明通过非单调的双极转移特性和非易失的阈值电压调制，在单个器件完成PUF所需的同或/异或操作，将所需的硬件代价降至最低(一个器件)。本发明不仅利用了阈值可调晶体管在编程后电压调制的物理随机机制(同一个晶体管在经历两次相同的预编程后，中间阈值状态也存在一定的随机差异)作为熵源实现了挑战-响应对的可重构能力，还将最常见的多行多列晶体管阵列直接整合到PUF结构中，大大简化了电路设计和工作步骤。

一种物理不可克隆函数(PUF)电路，该PUF电路包括：晶体管阵列，以及外围的译码电路、驱动电路、读取电路(包括多路选择器及差分放大器)，其特征在于，所述晶体管阵列由相互连接的双极特性场效应晶体管构成多行多列阵列结构，所述晶体管阵列内每一行晶体管的字线WL连接至译码电路；每一列晶体管的位线BL连接至驱动电路，感线SL连接至读取电路；所述双极特性场效应晶体管的漏极与位线BL连接、栅极与字线WL连接、源极与感线SL连接，所述双极特性场效应晶体管采用具有电子和空穴双极导电特性的半导体材料作为沟道或衬底材料，或者采用金属或金属硅化物作为源漏材料，使具有源漏对称结构的场效应晶体管表现出非单调的双极转移特性曲线，同时在所述双极特性场效应晶体管的栅极堆叠层中插入一层存储层，该存储层采用浮栅/俘获层和隧穿介质层构成的半导体材料，通过对沟道的电荷俘获/去俘获调制晶体管的阈值电压；或者采用一层铁电材料，通过改变铁电材料的极化状态调制晶体管的阈值电压，构成具有双极特性且可调制阈值电压的场效应晶体管。