2025年1月3日，中国工程院院刊《工程》（Engineering）在线发表了北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授课题组的最新研究成果《Experimental Realization of Physical Unclonable Function Chip Utilizing Spintronic Memories》。
该工作首次实现了一种基于自旋轨道力矩磁随机存储器（SOT-MRAM）的高可靠且可重构的强物理不可克隆函数（sr-PUF）。所提出的PUF在具有接近理想性能参数的同时，还具备抵抗机器学习模型攻击的能力，为未来物联网边缘端设备的硬件安全问题提供了一种全新的解决方案。我院2022级博士生张秀野为第一作者，赵巍胜教授为通讯作者。该工作获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
物联网的迅猛发展为缘边缘端设备的硬件安全带来了诸多挑战。根据统计，2022年物联网设备遭受的恶意攻击超过了1亿次，导致了严重的信息泄露和巨大的经济损失。作为一种加密原语，PUF有望在缓解这些问题方面发挥重要作用。在制造工艺中，通常存在着不可避免的固有随机性，PUF利用这种难以复制的微小变化，将输入的挑战映射为独立且不可预测的响应，并结合特定算法输出密钥。当前，全电学PUF的基本单元通常基于CMOS技术。然而，CMOS PUF内禀熵源不足且易受环境影响，因此通常需要额外的纠错电路，在物联网应用中的可行性受到限制。相比之下，磁随机存储器（MRAM）具有较低的功耗和面积开销、丰富的内禀熵源及高可靠性等特点，这使得MRAM PUF成为物联网应用中极具前景的选择。
基于上述原因，研究团队开发了一种以阵列单元阈值电压差异为熵源，具备高可靠性和可重构性的强SOT-MRAM sr-PUF，其特性总结如图1所示。所提出PUF的实现过程分为两步，如图2所示。首先，对整个芯片进行初始化操作，将阵列上所有单元设置为高阻态或低阻态。接着，对所有单元施加特定的写入电压，使得阵列中高阻态和低阻态的出现概率接近50%。最后，采用存内计算方法，通过比较不同列组合的电流和生成PUF响应。实验结果证明，SOT-MRAM sr-PUF无需额外的纠错电路或辅助设计，可以直接通过存储芯片实现。值得注意的是，SOT-MRAM sr-PUF拥有极大的挑战响应对（CRPs）空间（∼109），并且所有性能指标接近理想基准，尤其是在375K下仍能实现100%的可靠性，如图3所示。通过对写入电压施加微小变化，SOT-MRAM sr-PUF成功实现了CRPs的可重构操作。此外，所提出的PUF还表现出对逻辑回归、支持向量机和多层感知器等机器学习算法建模攻击的抵抗力。
图1. SOT-MRAM sr-PUF特性总结
图2. SOT-MRAM sr-PUF实现方法
图3. SOT-MRAM sr-PUF性能评估
北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队瞄准科研前沿方向，长期致力于超低功耗自旋电子材料与器件及其应用的相关研究，并取得了一系列进展。相关成果发表于《自然•电子》（Nature Electronics）、《自然•通讯》（Nature Communications）、《电气与电子工程师协会会报》（Proceeding of the IEEE）、《工程》（Engineering）、《科学通报》（Science Bulletin）等国内外知名期刊。
