【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,信息技術(shù)高速發(fā)展。智能設(shè)備呈現(xiàn)出爆炸性增長,在給人們的生活帶來巨大便利的同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的信息安全問題�；谲浖募用芊绞矫媾R著容易被攻擊破解的風(fēng)險(xiǎn),已不能滿足當(dāng)前信息安全的需求�；谟布募用芊绞揭话憷梦锢淼碾S機(jī)性產(chǎn)生加密密鑰,硬件加密方式具有較高的防破解能力,因而受到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注�；谟布男畔踩骷ㄎ锢聿豢煽寺『瘮�(shù)與真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等。物理不可克隆函數(shù)一般利用器件在制備過程中的隨機(jī)差異來構(gòu)造,常用于硬件的認(rèn)證以及密鑰的生成與存儲(chǔ)。硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用物理噪聲,例如熱噪聲、電報(bào)噪聲、隨機(jī)抖動(dòng)等來產(chǎn)生隨機(jī)序列,硬件真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器經(jīng)常用于通信系統(tǒng)的信息加密。本論文主要研究了基于自旋電子器件實(shí)現(xiàn)的物理不可克隆函數(shù)器件與真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器器件。首先,在垂直磁化的Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)中,利用界面各向異性能的隨機(jī)分布構(gòu)造了磁性物理不可克隆函數(shù)。該物理不可克隆函數(shù)的片間漢明距離接近0.5,表明具有較高的安全性,并且其片內(nèi)漢明距離約為0.1,表明具有非常好的穩(wěn)定性。其次,在具有納米尺寸(200×200 nm~2)的Ta/CoFeB/MgO垂直磁化異質(zhì)結(jié)中,利用無外磁場(chǎng)下自旋軌道力矩翻轉(zhuǎn)磁矩的隨機(jī)特性,實(shí)現(xiàn)了二態(tài)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,產(chǎn)生的隨機(jī)序列經(jīng)過輕量級(jí)后處理可以通過NIST SP800-22測(cè)試。并在500×500 nm~2尺寸的Ta/CoFeB/MgO垂直磁化異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了三態(tài)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。相較于傳統(tǒng)的CMOS信息安全器件,基于自旋的物理不可克隆函數(shù)與真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以提供更高安全性的加密密鑰和隨機(jī)密碼,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、高速率、低功耗的優(yōu)勢(shì),具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。 【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN918.4

【圖文】：

傳統(tǒng)的硬件加密方法一般將加密密鑰通過編程存儲(chǔ)在一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器（例EPROM）上。然而，攻擊者很容易通過測(cè)量引腳等手段獲取這種存儲(chǔ)器中的信息。，需要引入新型的硬件加密方法，人們便提出了物理不可克隆函數(shù)的概念：在F 器件制備過程中，材料的不均勻性以及器件制備工藝中存在的不可控隨機(jī)性， PUF 器件雖然是用同樣的材料和工藝流程制備的，但是對(duì)于相同的激勵(lì)hallenge）或者輸入，不同 PUF 器件的響應(yīng)(Response)或者輸出將會(huì)是不同的，這機(jī)分布的響應(yīng)可以用來進(jìn)行信息加密。如圖 1-1 所示，在典型的應(yīng)用場(chǎng)景中，F(xiàn) 的應(yīng)用分為兩個(gè)步驟[2]： 第一個(gè)步驟通常稱為 PUF 注冊(cè)，即從特定 PUF 收集激勵(lì)響應(yīng)對(duì)（Challenge Response Pairs, CRPs）并存儲(chǔ)在主機(jī)的 CRP 數(shù)據(jù)庫中；個(gè)步驟即 PUF 認(rèn)證，將來自 CRP 數(shù)據(jù)庫中的某些挑戰(zhàn)作用于 PUF 器件，并將的響應(yīng)與 CPR 數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的響應(yīng)信息進(jìn)行比較。如果信息在誤差允許的范圍吻合的，則認(rèn)證通過。如果信息是不吻合的，則認(rèn)證不通過。

圖 1-2 MTJ 結(jié)構(gòu)及其高阻和低阻狀態(tài)目前提出的基于 MRAM 制備 PUF 的方案之一是利用制備工藝中 MTJ 幾何形機(jī)差異來提取密鑰。MTJ 幾何形狀的隨機(jī)差異會(huì)導(dǎo)致MTJ 各向異性的隨機(jī)差異一塊芯片上的不同 MTJ 具有不同的臨界翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或者臨界翻轉(zhuǎn)電流，通過適磁場(chǎng)或者電流，可以使 MTJ 陣列發(fā)生隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，從而提取隨機(jī)密鑰[16,18,22,23]。種方案是在器件制備完成后，將所有 MTJ 兩兩分組并將這兩個(gè) MTJ 置為同一平行狀態(tài)或者反平行狀態(tài)），，然后利用比較器比較這兩個(gè) MTJ 阻值的差異得的 PUF 密鑰[17]。這兩種方案均需要一個(gè)比較大的寫電流，或者需要外加磁場(chǎng) MTJ 以獲取工藝的隨機(jī)性，其功耗較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利集成，也不利于低大規(guī)模使用。基于上述問題，本課題提出并研究制備了基于垂直磁各向異性（Perpendicuetic Anisotropy, PMA）的 Ta/CoFeB/MgO 異質(zhì)結(jié)的界面各向異性能（InterfactropyEnergy,IAE）的物理不可克隆函數(shù)（IAE-PUF)器件。IAE-PUF 無需外磁

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