萊斯大學集成電路(IC)設(shè)計師參加了硅谷首屈一指的芯片設(shè)計會議，該會議旨在推出比目前為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備生成不可克隆數(shù)字指紋的方法可靠性高10倍的技術(shù)。

Rice的開元陽和戴麗將在2019年的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上展示他們的物理不可克隆功能(PUF)技術(shù)，這是一個非正式稱為“芯片奧運會”的科學會議。PUF使用微芯片的物理缺陷來生成唯一的安全密鑰，可用于驗證鏈接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。

考慮到一些專家預計地球?qū)⒃谖迥陜?nèi)超過1萬億互聯(lián)網(wǎng)連接傳感器的門檻，因此提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全性的壓力越來越大。

Yang和Li的PUF通過為每個PUF生成兩個獨特的指紋來提供可靠性的飛躍。這種“零開銷”方法使用相同的PUF組件來制作兩個鍵，并且不需要額外的面積和延遲，因為其創(chuàng)新的設(shè)計特征也使得它們的PUF能量比以前發(fā)布的版本高出約15倍。

“基本上每個PUF裝置都可以在兩種模式下工作，”電氣和計算機工程助理教授楊說。“在第一種模式下，它會創(chuàng)建一個指紋，而在另一種模式下，它會產(chǎn)生第二個指紋。每個指紋都是一個唯一的標識符，雙鍵可靠性更好。在第一種模式下，設(shè)備發(fā)生故障的可能性很小，它可以使用第二個密鑰。它在兩種模式下都會失敗的可能性非常小。“

作為一種認證手段，PUF指紋具有與人類指紋相同的幾個優(yōu)點，他說。

“首先，它們是獨一無二的，”楊說。“你不必擔心兩個人擁有相同的指紋。其次，他們與個人保持聯(lián)系。你無法改變你的指紋或?qū)⑵鋸椭频絼e人的手指上。最后，指紋是不可克隆的。沒有辦法創(chuàng)建一個與其他人具有相同指紋的新人。“

PUF派生的加密密鑰也是唯一的，綁定的和不可克隆的。為了理解原因，有助于理解計算機芯片上的每個晶體管都非常小。其中超過十億可以塞進信用卡大小一半的芯片上。但是對于他們所有的精確度，微芯片并不完美。晶體管之間的差異可以相當于在另一個中少一個或少數(shù)幾個原子，但這些微小的差異足以產(chǎn)生用于制作PUF鍵的電子指紋。

對于128位密鑰，PUF設(shè)備將請求信號發(fā)送到包括數(shù)百個晶體管的PUF單元陣列，基于來自PUF單元的響應(yīng)為每個比特分配一個或零。與以傳統(tǒng)數(shù)字格式存儲的數(shù)字密鑰不同，PUF密鑰在每次請求時都是主動創(chuàng)建的，并且可以通過激活不同的晶體管組來使用不同的密鑰。

采用PUF將使芯片制造商能夠廉價而安全地生成用于加密的密鑰，作為下一代計算機芯片的標準功能，用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如“智能家居”恒溫器，安全攝像頭和燈泡。

加密燈泡?如果這聽起來有點矯枉過正，那么請考慮一下，無擔保的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是成千上萬的三名年輕計算機專家組成的，用于安裝2016年10月的分布式拒絕服務(wù)攻擊，這種攻擊在一天的大部分時間里都會削弱東海岸的互聯(lián)網(wǎng)。

“物聯(lián)網(wǎng)的一般概念是將物理對象連接到互聯(lián)網(wǎng)，以便整合物理和網(wǎng)絡(luò)世界，”楊說。“在今天的大多數(shù)消費者物聯(lián)網(wǎng)中，這個概念并未完全實現(xiàn)，因為許多設(shè)備都是供電的，而且?guī)缀跛性O(shè)備都使用為移動市場開發(fā)的現(xiàn)有IC功能集。”

相比之下，像Yang這樣的研究實驗室出來的設(shè)備是從頭開始為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的。尺寸僅為幾毫米，最新的物聯(lián)網(wǎng)原型可以將處理器，閃存，無線發(fā)射器，天線，一個或多個傳感器，電池等裝入一粒米粒大小的區(qū)域。

PUF對于物聯(lián)網(wǎng)安全并不是一個新概念，但Yang和Li的PUF版本在可靠性，能效和在芯片上實現(xiàn)所需的面積方面是獨一無二的。對于初學者，楊說，性能增益是在軍用級溫度測試中測量的，溫度范圍從125攝氏度到零下55攝氏度，供電電壓下降高達50%。

“即使一個晶體管在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)異常，設(shè)備也會產(chǎn)生錯誤的密鑰，它看起來就像一個不真實的設(shè)備，”楊說。“因此，可靠性或穩(wěn)定性是PUF最重要的衡量標準。”

能源效率對物聯(lián)網(wǎng)也很重要，因為物聯(lián)網(wǎng)可以預計設(shè)備可以在單次電池充電的情況下運行十年。在Yang和Li的PUF中，鍵是使用靜態(tài)電壓而不是通過主動為晶體管供電來創(chuàng)建的。靜態(tài)方法更節(jié)能是違反直覺的，因為它相當于全天候關(guān)燈而不是輕彈開關(guān)以快速瀏覽房間。

“通常情況下，人們會激活睡眠模式，當他們想要創(chuàng)建一個按鍵時，他們會激活晶體管，切換一次，然后再次進入睡眠狀態(tài)，”楊說。“在我們的設(shè)計中，PUF模塊始終處于開啟狀態(tài)，但功耗非常小，甚至低于傳統(tǒng)系統(tǒng)的睡眠模式。”

片上區(qū)域 - 制造商必須分配用于將PUF設(shè)備放置在生產(chǎn)芯片上的空間和費用的數(shù)量 - 是它們優(yōu)于先前報告的工作的第三個指標。他們的設(shè)計占用2.37平方微米，在使用65納米互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)生產(chǎn)的原型上產(chǎn)生一位。