基于新型阻变存储器PUF的研究

As the development of internet of things, data protection becomes more and more import. As a new method for data protection, physical unclonable function(PUF) has the advantages of strong randomness and high reliability. Resistive random access memory has some intrinsic physical randomness properties which make it very suitable for PUF applications. The main target of this project is to realize PUF with RRAM and optimize the randomness and reliability of RRAM PUF. Based on the relationship between oxygen ion transport process and RRAM PUF reliability, the RRAM PUF design will be optimized. Through choosing suitable material and optimizing operation conditions of the RRAM devices, strong randomness and high reliability PUF will be designed and fabricated, tested. Based on the investigation of different implementation methods, RRAM PUF that has sufficient number of CRP and high reliability will be designed. On the basis of the above task, RRAM PUF chips with practical functions will be fabricated.

随着IOT的兴起，数据的保护越变得越来越重要。物理不可克隆函数（PUF）作为一种新型的数据保护手段，具有随机性强、可靠性高的优点。基于RRAM（阻变存储器）的PUF因为其固有的物理属性非常适合PUF的应用。本项目以优化RRAM PUF的随机性与可靠性为主要研究目标，重点对RRAM的阻变机理、RRAM的操作条件、RRAM PUF的实现方法以及RRAM PUF芯片的设计进行研究。通过建立氧离子迁移过程与RRAM PUF可靠性的联系，给出RRAM PUF的优化方向。通过选择合适的材料及优化RRAM的操作条件，以达到较高的随机性与可靠性。通过研究不同的RRAM PUF的实现方法，实现具有足够数量的CRP与较高可靠性的PUF设计。在完成以上任务的基础上，本项目还将设计出具有实用功能的RRAM PUF芯片，并使用该芯片完成RRAM PUF在加密与认证上的可行性验证。

随着物联网等新一代信息技术的出现，硬件安全电路技术变得越来越重要。基于阻变存储器（RRAM）的物理不可克隆函数（PUF）具有轻量化、安全性强、可靠性高等优势。本项目围绕RRAM PUF开展了从材料到器件再到电路的研究，重点解决如何有效提取RRAM的真随机熵源从而实现高可靠PUF电路的问题。本项目圆满的完成了预定的研究内容和目标，取得的主要成果有：（1）通过材料的优化研制出高性能的HfAlyOx基RRAM单元，高温保持时间大于10年，比特良率超过99.9%，实现了优异的可靠性和无关联的电阻分布随机性。（2）提出了新型差分单元结构和窗口加强方法，解决了熵源提取时均匀性不足和抗机器学习攻击能力差的问题。（3）设计并研制了首款完整的RRAM PUF芯片，RRAM集成规模16K，芯片通过了NIST标准测试，原始错误率比此前PUF芯片的最好水平低两个数量级，实现了优异的性能，并具有独特的可重构能力。该项目执行期间，共发表论文29篇，包括1篇集成电路顶级会议ISSCC、5篇顶级会议IEDM，相关论文被Nature Electronics作为研究亮点重点报道。该项目申请专利10项，部分专利已转化给厦门半导体工业技术研发有限公司，相关技术已在北京宏思电子科技有限责任公司的密码芯片产品中得到了初步的应用。相关成果多次在北京科技周、国家军民融合展等场合进行科普展示。通过本项目的研究，验证了RRAM PUF芯片技术的可行性，为信息安全领域提供了可靠的硬件解决方案。