基于忆阻器的硬件级安全存储机制及电路关键技术研究

The Internet era brings large amount of data information, making data security a big challenge. The existing data security techniques are mostly concentrated in the data transmission phase, such as firewalls, but ignore the important area - data storage security. Actually, if the data storage security is compromised, all the current and past information are leaked, causing greater damage. Traditional data storage mediums also use logic-level protection methods such as encryption and authentication for security, but lack of physical-level protection techniques, which brings serious security risks. Therefore, this research focuses on the key techniques on the memristor-based hardware security storage schemes and circuits, including the data theft and tampering resistant memristor-based storage read/write techniques, the high reliable memristor-based key generation technique, and the high area-efficiency and modeling-attack resistant memristor-based authentication techniques, combining with chip fabrication to verify the results. The results of this research will provide key techniques for hardware security of sensitive data to resist physical-level attacks, also with features of low cost and easy integration because of the logic-compatibility of memristor. Thus, these techniques can be widely used in fields such as IoT nodes, reconfigurable computing platforms which have urgent need of data security storage.

互联网技术的高度发展带来了大量数据信息，使得数据安全问题变得越来越突出。现有的数据安全技术多集中在数据传输阶段，例如防火墙等，却忽略了信息安全的重要领域——数据存储安全。然而，如果数据的存储安全受到威胁，会导致当前和过往的信息全被泄漏，造成的危害更大。传统存储技术中也采用了加密认证等逻辑层保护方法，但是在抵抗硬件物理层攻击方面比较缺乏，带来了严重的安全隐患。因此，本课题研究基于新型忆阻器的硬件级安全存储机制及电路关键技术，包括抗数据窃取和篡改的忆阻存储器读写机制及电路、高可靠的忆阻器密钥生成机制及电路、高面积效率且抗建模攻击的忆阻器认证机制及电路等，并结合芯片实现加以验证，为敏感数据提供可抵挡物理层攻击的硬件级安全存储方案，且纯逻辑工艺兼容的忆阻器使其具有低成本、易集成的优势，因而可广泛应用于物联网节点、可重构计算平台等对数据安全存储有迫切需求的领域。

本课题的研究目标是通过研究基于忆阻器的硬件级安全存储机制及电路关键技术，包括：抗数据窃取和篡改的忆阻器安全存储读写机制及电路研究；高可靠的忆阻器安全密钥生成机制及电路研究；高面积效率、抗建模攻击的忆阻器安全认证机制及电路研究，等。.课题取得的成果有：.(a)在硬件级安全存储及传输关键机制方面：提出了基于忆阻器的高面积效率、抗建模攻击的强PUF机制，将为可信验证提供了硬件级安全性；提出了抗旁路攻击、抗入侵篡改的硬件安全存储机制及电路设计，为加密提供硬件级安全性。该成果解决了从数据的安全存储、安全可信传输角度的科学技术难点，基于忆阻器的硬件安全存储及传输机制及技术，预期可为物联网终端、无人机硬件等提供高度安全可信的环境。.(b)高精度高并行的存内计算机制方面：在模拟存算的高并行输入、高精度等关键问题提出了创新思路，实现达到并行32行输入、精度到浮点FP32的存内计算架构及电路，该成果了解决了模拟存算在高并行度、高精度、高线性等方面的科学技术难点，预期可为信号处理、人工智能训练等领域提供高能效高精度运算方案。.(c)人工智能提升新型器件电路良率的先进方法学：为克服新型器件电路良率提升缓慢、落地应用困难的科学技术难题，我们首次提出了基于人工智能提升新型器件电路良率的方法学，构建基于集成学习和网格搜索的小样本机器学习框架，克服传统AI需要大样本的问题，将训练样本降低90%，从而成功运用于研发阶段器件电路的良率分析和参数推荐，取得了集成度上的显著提升，发表在顶级期刊会议上。预期为本课题新型器件电路的落地应用提供有力支撑。.发表论文12篇，其中SCI期刊文章6篇(包含顶级期刊Nature Comm 2篇)，EI国际会议文章6篇(含领域知名会议ISCAS 2篇)。申请专利4项，授权专利4项。培养博士生4名，培养硕士生16名。.因此，本课题很好地完成了课题研究目标并向前拓展，取得了有较高影响力的科研成果。