磁性物理不可克隆函数与真随机数发生器设计及制备

发布时间：2020-06-14 02:01

【摘要】：随着物联网和大数据时代的到来,信息技术高速发展。智能设备呈现出爆炸性增长,在给人们的生活带来巨大便利的同时也面临着严峻的信息安全问题。基于软件的加密方式面临着容易被攻击破解的风险,已不能满足当前信息安全的需求。基于硬件的加密方式一般利用物理的随机性产生加密密钥,硬件加密方式具有较高的防破解能力,因而受到了国内外研究机构的广泛关注。基于硬件的信息安全器件包括物理不可克隆函数与真随机数发生器等。物理不可克隆函数一般利用器件在制备过程中的随机差异来构造,常用于硬件的认证以及密钥的生成与存储。硬件真随机数发生器利用物理噪声,例如热噪声、电报噪声、随机抖动等来产生随机序列,硬件真随机数发生器经常用于通信系统的信息加密。本论文主要研究了基于自旋电子器件实现的物理不可克隆函数器件与真随机数发生器器件。首先,在垂直磁化的Ta/CoFeB/MgO异质结中,利用界面各向异性能的随机分布构造了磁性物理不可克隆函数。该物理不可克隆函数的片间汉明距离接近0.5,表明具有较高的安全性,并且其片内汉明距离约为0.1,表明具有非常好的稳定性。其次,在具有纳米尺寸(200×200 nm~2)的Ta/CoFeB/MgO垂直磁化异质结中,利用无外磁场下自旋轨道力矩翻转磁矩的随机特性,实现了二态真随机数发生器,产生的随机序列经过轻量级后处理可以通过NIST SP800-22测试。并在500×500 nm~2尺寸的Ta/CoFeB/MgO垂直磁化异质结中实现了三态真随机数发生器。相较于传统的CMOS信息安全器件,基于自旋的物理不可克隆函数与真随机数发生器可以提供更高安全性的加密密钥和随机密码,并且具有结构简单、易于集成、高速率、低功耗的优势,具有广阔的研究和应用前景。 【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918.4

【图文】：

步骤,器件,硬件加密

传统的硬件加密方法一般将加密密钥通过编程存储在一个非易失性存储器（例EPROM）上。然而，攻击者很容易通过测量引脚等手段获取这种存储器中的信息。，需要引入新型的硬件加密方法，人们便提出了物理不可克隆函数的概念：在F 器件制备过程中，材料的不均匀性以及器件制备工艺中存在的不可控随机性， PUF 器件虽然是用同样的材料和工艺流程制备的，但是对于相同的激励hallenge）或者输入，不同 PUF 器件的响应(Response)或者输出将会是不同的，这机分布的响应可以用来进行信息加密。如图 1-1 所示，在典型的应用场景中，F 的应用分为两个步骤[2]：第一个步骤通常称为 PUF 注册，即从特定 PUF 收集激励响应对（Challenge Response Pairs, CRPs）并存储在主机的 CRP 数据库中；个步骤即 PUF 认证，将来自 CRP 数据库中的某些挑战作用于 PUF 器件，并将的响应与 CPR 数据库中存储的响应信息进行比较。如果信息在误差允许的范围吻合的，则认证通过。如果信息是不吻合的，则认证不通过。

状态图,低阻,高阻,状态

图 1-2 MTJ 结构及其高阻和低阻状态目前提出的基于 MRAM 制备 PUF 的方案之一是利用制备工艺中 MTJ 几何形机差异来提取密钥。MTJ 几何形状的随机差异会导致MTJ 各向异性的随机差异一块芯片上的不同 MTJ 具有不同的临界翻转磁场或者临界翻转电流，通过适磁场或者电流，可以使 MTJ 阵列发生随机翻转，从而提取随机密钥[16,18,22,23]。种方案是在器件制备完成后，将所有 MTJ 两两分组并将这两个 MTJ 置为同一平行状态或者反平行状态），，然后利用比较器比较这两个 MTJ 阻值的差异得的 PUF 密钥[17]。这两种方案均需要一个比较大的写电流，或者需要外加磁场 MTJ 以获取工艺的随机性，其功耗较高，结构复杂，不利集成，也不利于低大规模使用。基于上述问题，本课题提出并研究制备了基于垂直磁各向异性（Perpendicuetic Anisotropy, PMA）的 Ta/CoFeB/MgO 异质结的界面各向异性能（InterfactropyEnergy,IAE）的物理不可克隆函数（IAE-PUF)器件。IAE-PUF 无需外磁

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