物理上不具有可解，新技術推出物聯網安全功能！

博科園：本文為科學技術類

美國萊斯大學集成電路(IC)設計師們出席了矽谷的第一屆晶元設計大會，宣布了一項技術，該技術的可靠性是目前為物聯網(IoT)設備製造不可複製（不具有可解）數字指紋方法的10倍。楊開元和戴里將在2019年國際固態電路會議(ISSCC)上展示他們物理物理上不具有可解的功能(PUF)技術。PUF利用微晶元的物理缺陷來生成獨特的安全密鑰，這些密鑰可用於對連接到物聯網的設備進行身份驗證。考慮到一些專家預計地球將在五年內超過1萬億聯網感測器的門檻，提高物聯網設備安全性的壓力越來越大。楊和李的PUF通過為每個PUF生成兩個獨特的指紋，在可靠性上有了飛躍。

博科園-科學科普：這種「零開銷」方法使用相同的PUF組件來生成兩個鍵，並且不需要額外的區域和延遲，因為它具有創新的設計特性，允許它們的PUF比以前發布的版本節能15倍。電子和計算機工程助理教授楊說：基本上每個PUF單元都可以在兩種模式下工作。在第一種模式下，它創建一個指紋，在另一種模式下，它生成第二個指紋。每個鍵都是唯一的標識符，雙鍵的可靠性要高得多。當設備在第一種模式下出現故障時，可以使用第二種鍵。它在兩種模式下都失敗的概率非常小作為一種認證手段，PUF指紋和人類指紋有幾個相同的優點。首先，它們是獨一無二的，不必擔心兩個人有相同的指紋。

萊斯大學集成電路設計師楊開元設計了一種新設備的原型，這種設備的可靠性是目前為物聯網設備製造不可複製數字指紋方法的10倍。圖片：Jeff Fitlow/Rice University

其次，它們與個體相連。你不能改變你的指紋或者複製到別人的手指上。最後，指紋是不可複製的，沒有辦法創造一個和別人擁有相同指紋的人。puf加密密鑰也是惟一的、綁定和不可複製性。要理解其中的原因，首先要理解計算機晶元上的每一個晶體管都非常小。超過10億個這樣的晶元可以塞在只有信用卡一半大小的晶元上。但是，儘管微晶元具有很高的精確度，但它並不完美。晶體管之間的差別可以是一個晶體管中多幾個原子，另一個晶體管中少幾個原子，但這些微小的差別足以產生製造PUF鍵的電子指紋。對於一個128位的密鑰，PUF設備將向由幾百個晶體管組成的PUF單元陣列發送請求信號，並根據PUF單元的響應為每個位分配一個1或0。

與以傳統數字格式存儲的數字鍵不同，PUF鍵在每次請求時都是主動創建，通過激活不同晶體管集可以使用不同的鍵。採用PUF將使晶元製造商能夠以低廉的成本安全地生成用於加密的密鑰，並將其作為「智能家庭」恆溫器、安全攝像頭和燈泡等物聯網設備的下一代計算機晶元的標準功能。加密的燈泡？如果這聽起來有些言過其實，那麼想想看，3位年輕的計算機專家聚集了數十萬台不安全的物聯網設備，發起了2016年10月的分散式拒絕服務攻擊(distributed denio -of-service，分散式拒絕服務攻擊)。物聯網的一般概念是將物理對象連接到互聯網，從而將物理世界和網路世界結合起來。在今天的大多數消費者物聯網中，這一概念還沒有完全實現，因為許多設備都配備了電源，而且幾乎所有設備都使用了為移動市場開發的現有IC功能集。

萊斯大學VLSI實驗室的戴麗(左)和楊開元將在2019年國際固態電路大會(ISSCC)上展示他們的新安全技術。圖片：Jeff Fitlow/Rice University

相比之下，像楊這樣的實驗室研發出來的設備是為物聯網而設計。最新的物聯網原型尺寸只有幾毫米，它可以將處理器、快閃記憶體、無線發射器、天線、一個或多個感測器、電池以及更多的東西封裝在一粒大米大小的區域內。PUF並不是物聯網安全的新概念，但楊和李的PUF版本在可靠性、能源效率和在晶元上實現所需的面積方面是獨一無二。首先，楊說性能的提高是在軍事級別的溫度下測量，溫度範圍從125攝氏度到- 55攝氏度，電源電壓下降50%。如果一個晶體管在不同的環境條件下表現異常，該設備就會產生錯誤的按鍵，看起來就像一個不真實的設備。因此，對PUF來說，可靠性或穩定性是最重要的衡量標準。

能源效率對物聯網也很重要，在物聯網中，設備一次充電可以運行10年。在楊和李的PUF中，按鍵是通過靜態電壓產生，而不是主動給晶體管供電。靜態的方法會更節能，這是違反直覺的，因為這相當於讓燈24/7開著，而不是輕按開關快速瀏覽房間。通常情況下，人們會激活睡眠模式，當他們想要創建一個按鍵時，他們會激活晶體管，開關一次，然後再讓它進入睡眠狀態。在設計中，PUF模塊總是開著的，但它只需要很少的電力，甚至比傳統睡眠模式下的系統還少。晶元上區域（製造商將不得不分配空間和費用用於生產晶元上的PUF設備）是他們優於之前報告的工作的第三個指標，設計佔用了2.37平方微米，在65納米互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的原型上產生1位。

Rice為創建具有物理不可複製功能(PUF)安全密鑰而設計的新設計被證明比以前發布的PUF技術更可靠、更節能、更小。圖片：Jeff Fitlow/Rice University

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研究/來自: 萊斯大學

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