基于自旋轨道力矩的可重构磁性物理不可克隆函数器件设计及制作

Compared with traditional silicon-based physical unclonable function(PUF), magnetic PUF has many advantages, such as nonvolatility, anti-invasive attack, unlimited endurance, radiation protection and so on. However, magnetic PUF only provides static challenge response pairs, and at the same time, its storage overhead increases exponentially with the increase of response bits.This project intends to study the random magnetization switching mechanism of nanomagnet arrays during metastable writing of perpendicular nanomagnetic elements by in-plane current-induced spin orbital torque. Using external current pulse excitation, the internal physical state of nanomagnet arrays can be reconstructed to provide dynamic challenge response pairs. A reconfigurable device based on spin orbit torque can be designed and fabricated. The project potential output can afforad a practical key technology and scheme for developing reconfigurable PUF with high reliability, high security and high density are explored.

磁性物理不可克隆函数（PUF）与传统硅基PUF相比，有着信息非易失性、防入侵、耐久性、防辐射等诸多优点。但磁性PUF只提供静态的挑战响应对行为，同时其存储开销随着响应位数的增加而呈指数增加。本项目拟研究平面电流致自旋轨道力矩对纳米垂直磁性单元进行亚稳态写入时，垂直纳米磁体阵列磁化方向的随机性翻转机制。利用外部电流激励可以重构纳米磁性单元阵列的内部物理状态，使其具有动态挑战响应对行为，以设计并制作一种基于自旋轨道力矩的可重构器件。该研究成果为研制高可靠性、强安全性、高密度的可重构PUF，探索出一种实用型关键技术与方案。

磁性物理不可克隆函数（PUF）与传统硅基PUF相比，有着信息非易失性、防入侵、耐久性、防辐射等诸多优点。自旋轨道力矩（SOT）的可重构PUF利用电流致SOT对纳米磁性单元进行亚稳态写入时，纳米磁性单元会稳定于低阻态还是高阻态完全取决于热噪声的随机差异，因此外部电流激励可以重构纳米磁性单元阵列的内部物理状态，使其具有动态的CRP行为。本项目基于高质量垂直磁化膜，利用SOT效应，构建了可重构的PUF，并从材料、物理及器件等方面展开系列研究。进一步地，本项目将研究方向拓宽至其他新兴的研究领域，如信息安全系统、随机计算网络及存算一体化等。具体的研究内容包括（1）SOT驱动磁畴壁移动的可重构PUF研究；（2）基于界面各向异性能的磁性强PUF研究；（3）基于轻量级SM4算法的安全加密认证系统；（4）基于SOT真随机数器件随机神经网络研究；（5）面向存内模拟计算的SOT器件研究。. 目前已取得诸多重要研究成果，具体包括（1）基于自旋电子中SOT推动磁畴壁移动的随机特性实现了两种具有良好稳定性及唯一性的可重构PUF；（2）基于磁性弱物理不可克隆函数器件，结合外围电路扩充其激励-响应对，设计出磁性强物理不可克隆函数电路；（3）设计了一种基于轻量级SM4算法的安全加密认证系统，具有低面积消耗、高安全性；（4）将SOT真随机数器件应用于随机计算，构建随机神经网络，有效降低硬件资源占用；（5）实现了SOT器件对磁场的线性感知或者磁场对SOT器件阻值的线性调控。实现了基于电流感知的存内模拟算术运算以及高性能的人工突触。.本项目构建了多种不同类型的磁性物理不可克隆函数，都具备良好的稳定性、唯一性及均一性，具有优异的可重构特性。此外，本项目的开展拓宽了自旋电子器件的研究范畴和应用领域，在诸多新兴领域具有巨大的潜在应用价值。