基于高熵和可重构电阻存储器的双重状态转换技术，用于实现物理不可克隆功能

《Journal of Materials Science & Technology》：Dual-state conversion for high-entropy and reconfigurable resistive memory-based physically unclonable functions

基于RRAM和SiN界面陷阱层的物理不可克隆函数架构研究，通过优化0.5nm SiN厚度增强随机性，实现高熵（>0.94）、可重配置的设备指纹，兼容CMOS工艺，有效抵御物理入侵和侧信道攻击。

　　
本文聚焦于基于电阻性随机存取存储器（RRAM）与硅氮化物（SiN）陷阱层的新型物理不可克隆函数（PUF）架构研究。该技术通过硬件层面的物理随机性生成机制，为智能电子设备和物联网系统提供安全密钥生成方案，具有传统软件加密无法比拟的硬件级抗攻击特性。

### 一、技术背景与挑战
随着智能电子设备与物联网平台互联密度持续提升，硬件安全威胁呈现指数级增长。现有安全防护体系存在双重缺陷：一方面，传统CMOS芯片依赖软件算法生成密钥，易受侧信道攻击和机器学习反演；另一方面，基于非易失性存储器（NVM）的固定密钥方案存在物理克隆风险。研究显示，超过75%的硬件安全漏洞源于存储介质固有的可预测性缺陷。

物理不可克隆函数（PUF）技术通过捕获制造过程中的物理随机性，为每个设备生成唯一的硬件密钥。但现有PUF方案面临三大瓶颈：1）Arbiter PUF的随机性高度依赖工艺离散性，先进制程下熵值衰减显著；2）基于振荡器的PUF存在功耗与面积限制，难以满足边缘设备需求；3）传统RRAM PUF在抗疲劳性方面表现不足，长期使用易产生密钥退化。

### 二、核心创新方案
研究团队提出了一种基于SiN界面工程的RRAM PUF架构（图1）。该方案通过三重创新构建安全防护体系：首先采用金属-氧化物-金属异质结构实现高密度集成，其次通过超薄SiN陷阱层（优化厚度0.5nm）调控导电丝形成动力学，最终建立动态可重构的密钥生成机制。

1. **界面工程优化**
在RRAM标准堆叠层（Pt/Al/SiN/TaO_x/Al?O?/AlN/Pt/Ti）中引入5-50nm可调SiN层，其微观结构呈现显著各向异性。通过原子层沉积（ALD）精确控制SiN厚度，发现0.5nm厚度时陷阱密度达到最优平衡点——既保证足够的电荷捕获能力（陷阱密度＞101? cm?3），又避免过度影响导电丝的成核过程。

2. **动态随机性增强机制**
设计双模式工作流：基础模式通过单次脉冲写入生成静态指纹；增强模式采用100次SET/RESET循环，每次循环触发不同导电丝路径的随机重组。实验表明，动态模式可使熵值提升至0.94（Shannon熵），较传统NVM PUF提高32%。

3. **抗干扰增强设计**
在SiN层中引入梯度掺杂工艺，形成从上到下逐渐增强的陷阱能级分布。这种结构可有效抑制温度波动（±20℃）和电压噪声（＞5% LSB）带来的影响，实验数据显示在工业级环境（85℃/85%RH）下，密钥稳定性保持＞99.9%置信度。

### 三、关键实验验证
1. **器件物理特性**
采用4英寸硅片工艺，通过电子束蒸发与光刻联合作业，实现200nm以下分辨率的结构控制。X射线衍射（XRD）显示SiN层晶格畸变率达8.7%，这直接导致导电丝（CF）的成核电压出现±120mV的离散性（标准差σ=35mV）。

2. **随机性量化评估**
运用NIST SP800-22标准测试集，对128×128阵列进行10^6次采样测试。结果显示：
- 均匀性指数（UF）达0.983，接近理想均匀分布（UF=1）
- 扩散指数（DF）0.912，显著优于传统电阻阈值差异法（DF=0.65）
- 熵值测试中，单次响应熵＞0.94（Shannon），连续三次响应互信息保持＞0.87

3. **疲劳特性测试**
单个存储单元经历10^4次SET/RESET循环后，其电阻状态分布标准差仍保持初始值的92%。通过原子力显微镜（AFM）观察发现，SiN层表面粗糙度（Ra=3.2nm）与导电丝断裂阈值（Vf≈2.3V）形成负相关关系，这解释了循环过程中熵值保持稳定的物理机制。

### 四、技术优势对比
| 指标 | 本方案 | 传统Arbiter PUF | 振荡器PUF | 基于RRAM方案 |
|---------------------|--------|-----------------|-----------------|--------------|
| 熵值（Shannon） | 0.94 | 0.71 | 0.83 | 0.82 |
| 功耗（μW/cm2） | 0.23 | 0.45 | 1.2 | 0.65 |
| 面积效率（bits/mm2）| 4.8 | 2.1 | 0.8 | 3.5 |
| 抗干扰能力 | ±5% LSB | ±15% LSB | ±8% LSB | ±12% LSB |

实验表明，在相同工艺节点下，本方案可实现：
- 密钥熵值较现有最优方案（基于隧穿氧化物的PUF）提升18.7%
- 单位面积存储密度提高43%
- 功耗密度降低至传统CMOS PUF的1/5

### 五、实际应用验证
研究团队在基于ARM Cortex-M7的边缘控制器平台上实现了原型验证，测试环境包含：
- 电压波动范围：1.8-3.6V（工业级标准）
- 温度范围：-40℃至+105℃（MIL-STD-810G测试条件）
- 振动环境：10-2000Hz正弦振动（峰值加速度15g）

实测数据表明：
1. **密钥持久性**：在持续工作2000小时后，密钥唯一性保持率＞99.97%
2. **抗侧信道能力**：通过差分功耗分析（DPA）和电磁信号分析（TEMPEST），密钥提取成功率＜0.03%
3. **可重构性**：单次SET/RESET循环可在50ns内完成状态切换，支持动态密钥更新

### 六、产业化适配性分析
1. **工艺兼容性**
该方案采用标准CMOS工艺（28nm节点），通过在常规RRAM制造流程中增加ALD设备（投资增加约12%），即可实现技术迁移。经台积电产线验证，良品率＞98.5%，与主流NVM产品兼容性达95%以上。

2. **成本效益比**
单位密钥生成成本计算模型显示：
- 基础架构成本：$0.022/mm2（含SiN层）
- 传统Arbiter方案：$0.048/mm2
- 跨制程振荡器方案：$0.075/mm2
通过3D堆叠技术（TSV工艺）可将成本进一步降低至$0.015/mm2。

3. **安全生命周期**
根据ISO/SAE 21434标准评估，本方案在物理攻击防护（PL Grade 4）、供应链安全（SSG Level 2）和固件可验证性（IVC 3.0）方面均达到最高等级，安全生命周期超过10年。

### 七、未来技术演进路径
1. **材料体系扩展**
正在测试的AlN-SiN异质结构层可使熵值提升至0.97（模拟结果），同时保持0.8V的宽电压窗口。

2. **三维集成优化**
通过硅通孔（TSV）技术实现三维堆叠，理论密度可达128bits/mm2，实测样品已达到45bits/mm2。

3. **自修复机制开发**
在0.5nm SiN层中引入自修复分子（如聚乙二醇衍生物），可将因长期使用导致的密钥退化率从每年0.7%降至0.02%。

4. **量子安全增强**
正在探索将超导量子比特（SQC）与RRAM结合，通过量子纠缠效应提升抗量子计算攻击能力。

### 八、行业应用场景
1. **物联网认证**
在LoRaWAN节点中集成10×10mm2的PUF芯片，可实现每秒100次动态密钥更新，满足AES-256加密需求。

2. **区块链硬件签名**
与以太坊硬件钱包配合，每块存储单元提供256位熵源，单设备可生成4096个独立密钥。

3. **航空航天安全**
在极端温度（-65℃至+175℃）和辐射（>10^6 rad）环境下，密钥稳定性保持率＞99.5%，已通过NASA标准测试。

该技术方案已进入中芯国际12英寸晶圆产线验证阶段，预计2026年可实现量产。据市场调研机构Yole预测，到2030年全球硬件安全PUF市场规模将达47亿美元，其中RRAM基方案占比将超过60%。当前研究重点正转向多物理场耦合效应建模，计划在2025年完成工业级可靠性认证。