基于石墨烯電極RRAM的混合型PUF指紋電路

白 創，張 偉，呂 豪，米蓮娜·朱卡諾維奇

(1. 長沙理工大學物理與電子科學學院 長沙 410114；2. 柔性電子材料基因工程湖南省重點實驗室 長沙 410114；3. 黑山大學電氣工程學院 黑山共和國 波德戈里察 81000)

PUF芯片指紋技術是一種新型的硬件安全原語，在電子信息產品合法身份認證領域具有廣泛研究。目前國內外出現了許多種PUF芯片指紋電路結構，包括基于延時的仲裁器PUF[1]、環形振蕩器PUF[2]以及基于分壓的靜態隨機存儲器(static radom access memory, SRAM)PUF[3]、電流鏡PUF[4]等。這類PUF通過捕獲芯片制造過程中器件和連線的隨機工藝偏差，生成獨一無二的指紋ID，用于標識不同的電子產品的合法身份。然而在噪聲、溫度、電壓等因素的影響下，PUF的輸出結果可能產生變化，限制了其在身份認證領域的應用。文獻[5]提出通過降低電源電壓來改善環形振蕩器PUF穩定性，能起到一定的改善作用，但仍不能保證獲得完全穩定的輸出。文獻[6]提出一種利用多組激勵響應對(challenge-response pairs, CRPs)作為輔助數據的錯誤校正方案，然而輔助數據的存儲與傳輸可能會對PUF的安全性產生影響。文獻[7]通過采用具有微小偏差的電源電壓上電來確定并剔除不穩定位，但篩選和剔除過程都需要額外的時間和成本。

PUF單元隨機偏差的大小從根本上決定了PUF芯片指紋ID的穩定性，因此通過增大PUF單元的隨機偏差是改善PUF穩定性最有效的方法之一。RRAM是一種新型非易失存儲器件，其阻值分布具有較強的隨機性，可以用來構建PUF對稱單元增強其隨機偏差。文獻[8]研制了國際首款基于RRAM的可重配置PUF芯片，使用分裂阻值法極大提高了RRAM PUF的穩定性。文獻[9]提出了一種基于模擬RRAM交叉陣列的RX-PUF，實現了20×20陣列的600 kb CRPs對RRAM PUF，采用SHA提高抗攻擊能力。文獻[10]利用RRAM寫入速度差實現了比特錯誤率小于0.35%的RRAM PUF。然而現有的RRAM PUF也存在隨機性不足，以及開關比較小導致讀取錯誤率高等問題，同時多CRPs的強PUF面積開銷和功耗開銷都相對較大，不適合直接用作芯片指紋電路應用于身份認證領域。本文針對PUF指紋芯片應用需求，設計具有良好隨機性和高開關比的RRAM器件，構建基于RRAM的PUF單元，實現基于RRAM的新型混合型PUF芯片。

1 石墨烯電極RRAM器件

采用RRAM器件構建PUF單元增強其隨機偏差時，要求RRAM阻值分布范圍寬，隨機性好，同時開關比足夠大，高低阻態易區分。為實現這一目標，文中引入了一種新型的石墨烯電極RRAM器件，結構如圖1所示。器件為中心對稱的山形結構，包括鋁電極、鋁氧化物阻變層、石墨烯薄膜電極、鎳電極、二氧化硅/硅襯底。RRAM器件在實驗室制備完成后，通過加-5 V RESET和+5 V SET電壓分別配置到高阻態和低阻態，阻值轉變過程如圖2所示。

圖1 石墨烯電極RRAM結構

圖2 RRAM RESET和SET過程

RRAM配置到不同狀態后，在電極兩端接0.1 V讀取電壓，通過測量電流來計算RRAM阻值。統計2 000個RRAM器件的高低阻值后計算累積概率分布，并與文獻[8, 11]中其他兩種典型RRAM進行比較，結果如圖3所示。圖中可以看出，3種RRAM都在高阻態分布更廣，所以通常選取高阻態RRAM作為隨機熵源。石墨烯電極RRAM的高阻態阻值范圍約為108～1011Ω，相比于其他兩種RRAM的分布范圍明顯更廣，是更好的隨機源；同時其開關電阻比始終大于103，比其他兩種RRAM要高2個數量級左右，存儲穩定性更高。因此，采用石墨烯電極RRAM構建的PUF指紋芯片將具有更好的隨機性和穩定性，同時外圍電路可以更加簡單，實現PUF功能的芯片面積和功耗開銷更小。

圖3 RRAM阻值累積概率分布對比

2 混合型SRAM-RRAM PUF單元

基于RRAM的混合型PUF單元結構如圖4所示，包含一個6 T SRAM單元、兩個RRAM單元以及由MOS開關構成的配置單元等。單元為對稱結構，SRAM中MOS管PM1和PM2的閾值失配和兩高阻態RRAM的阻值偏差共同作為隨機熵源。每個單元外接三路電源信號PL1、PL2和PL3，兩路控制信號CL1和CL2，以及兩路地址選擇信號SL1和SL2，輸出端為BL1和BL2。當SL1置高時，RRAM單元被選中，此時將CL1和CL2置高，PL1上電時，兩RRAM被配置到高阻；配置完成后，將SL1、SL2和CL2置高，其他置低，PL3上電即可生成初始值。利用RRAM可以對PUF初始值進行偏差放大。生成初始值后，將PL3保持上電，PL1接地，SL1和SL2置高，CL1和CL2置低，PL2上電時，初始值為高的一端RRAM被配置到低阻，初始值被放大后存儲到RRAM中。偏差放大后，需要讀取指紋值時，將SL1、SL2和CL2置高，其他置低，PL3上電即可進行讀取。各階段PUF單元接口輸入信號時序圖如圖5所示。由于本文所采用的RRAM器件在高低阻態的阻值差極大，偏差放大后再讀取時，PUF輸出將完全由RRAM1和RAM2的高低組態決定，同時RRAM阻值受溫度電壓等因素影響極小，可保證指紋值的穩定讀出。

圖4 PUF單元電路結構

圖5 PUF單元接口時序

本文分別對傳統SRAM單元、同為高阻態RRAM的PUF單元、不同阻態RRAM的偏差放大PUF單元進行穩定性測試。測試條件分別為溫度27 ℃、電源電壓4.6～5.4 V、電源電壓5 V、溫度-40 ℃～100 ℃，在每種條件下對每個單元進行10 000次蒙特卡洛仿真。并以電壓5 V、溫度27 ℃條件下的結果為參考值，計算了不同單元在不同條件下的比特錯誤率，結果如圖6所示。可以看出，傳統SRAM PUF單元在溫度電壓條件不變的情況下比特錯誤率仍不為0，這是由于各種噪聲的存在引起的比特翻轉，在溫度和電壓變化的情況下比特錯誤率會進一步增加。引入同阻態RRAM作為混合熵源后，PUF單元的穩定性在各種條件下都有所提升，但仍不能完全保證獲得穩定的PUF指紋輸出。采用不同阻態RRAM進一步對PUF進行偏差放大后，PUF單元在任何條件下都得到了完全穩定的輸出。

圖6 不同環境下3種模式PUF單元的穩定性

3 混合型PUF芯片指紋電路

混合型PUF芯片指紋電路整體結構如圖7所示，主要包含PUF核與外圍電路兩大部分。PUF核包括SRAM陣列、RRAM陣列與配置電路。外圍電路主要包含3部分，即PUF芯片控制電路、譯碼器以及靈敏放大器(sense amplifier, SA)。控制電路根據接收的輸入信號，輸出特定電源、控制和地址選擇信號；譯碼器根據接收到的地址信號，通過SL1和SL2同時選中同一行SRAM和RRAM；配置電路接收CL2和CL2的控制信號，確定RRAM與SRAM的電路連接方式，實現對RRAM的阻值配置；每個靈敏放大器接收PUF單元兩端信號，輸出一位指紋值。

圖7 混合型PUF整體結構

混合型PUF芯片指紋電路包含3種工作模式：注冊模式、讀取模式與重構模式。模式切換與運行由控制電路實現，控制電路架構圖如圖8所示。輸入模式選擇信號被譯碼為3種不同的控制信號，內部控制單元根據控制信號執行RRAM初始化、偏差生成/讀取、偏差放大操作，產生相應輸出信號控制PUF運行。

圖8 PUF控制電路架構

注冊模式為混合型PUF芯片出廠時的預操作模式。出廠時RRAM為高阻態，注冊時控制電路執行PUF偏差生成/讀取模塊與偏差放大模塊，實現指紋值的放大與穩定存儲。讀取模式為混合型PUF芯片的常規工作模式，芯片完成注冊后，若需讀取指紋值，控制電路將執行偏差生成/讀取模塊，根據偏差放大后PUF單元兩端RRAM阻態高低讀出指紋值。重構模式為指紋值暴露在風險環境后的安全更新模式。接收到重構信號后，控制單元首先執行RRAM初始化模塊，將RRAM全部重新配置到高阻態，隨后再次執行偏差生成/讀取模塊與偏差放大模塊重新進行注冊。由于噪聲影響以及RRAM阻值在不同循環間的隨機性，重構后讀取時，PUF芯片會生成新的指紋ID。

4 電路仿真與分析

本文在SMIC 0.35 μm工藝下搭建了可重構式混合型RRAM PUF芯片指紋電路，包含64個RRAM與SRAM單元構成的混合型PUF單元，可生成64位的芯片指紋ID。通過在Cadence中進行仿真分析，計算了PUF芯片功耗和面積，通過蒙特卡洛分析，讓芯片在不同條件下產生指紋值，計算了芯片指紋值的隨機性、唯一性和穩定性。

4.1 面積和功耗

整個PUF芯片的面積約為7 200 μm2。通過仿真可知，在電源電壓為5 V、溫度為27 ℃的條件下，單次注冊過程能耗為0.5 nJ，單次讀取過程能耗為96 pJ，單次重構過程能耗為1.2 nJ。芯片出廠后正常工作時，重構次數相對讀取次數而言極少，故生成每比特指紋值的能耗可近似為2.5 pJ/bit。表1總結了混合RRAM PUF芯片各種性能的具體參數。

表1 混合RRAM PUF芯片各性能參數值

4.2 隨機性

隨機性測試用于驗證芯片生成的指紋ID是否具有真正的隨機性，對于基于RRAM的混合型PUF芯片，通過NIST隨機性測試驗證指紋值。表2展示了詳細的NIST隨機性測試結果，可以看出，所提出的混合型PUF芯片平均P_value始終大于0.01，通過了所有測試。這表明本芯片是理想的隨機源。

表2 混合型RRAM PUF芯片NIST隨機性測試結果

4.3 唯一性

唯一性描述了芯片生成指紋ID的碰撞概率，通過芯片的片間漢明距離分布來進行衡量。為了衡量唯一性，仿真了10 000塊不同的PUF芯片，在27 ℃、5 V電壓下產生指紋值，并計算這些指紋值的漢明距離，結果如圖9所示。計算表明，本PUF芯片指紋電路的片間漢明距離為49.95%，方差為3.91%。這一結果與理想值50%非常接近，表明該芯片具有較為理想的唯一性。

圖9 混合型PUF芯片片間漢明距離分布

4.4 穩定性

穩定性指PUF芯片在外界環境變化的情況下保持輸出不變的能力。本文在電源電壓5 V、溫度27 ℃的條件下，對提出的PUF芯片指紋電路進行了100 000蒙特卡洛分析。同時還在電源電壓為4.6～5.4 V，溫度-40 ℃～100 ℃的條件下進行了仿真，以27 ℃、5 V電壓下第一次仿真的指紋值為標準，計算了溫度電壓變化條件下的比特錯誤率。為了驗證本芯片指紋電路對PUF穩定性的提升，同時還搭建了64位SRAM PUF陣列，并在相同環境條件下生成芯片指紋值，計算了比特錯誤率并進行比較，結果如圖10所示。可以看出，本文提出的64位混合型PUF芯片指紋電路可以有效消除系統噪聲和電路不對稱因素的影響，并在溫度電壓變化的條件下仍然保持了理想的100%穩定性。

圖10 不同環境SRAM與混合型PUF穩定性對比

表3對比了SRAM-RRAM混合型PUF與其他幾種最新的典型芯片指紋PUF方案。可以看出，相對于其他PUF結構，混合型PUF具有最好的穩定性；相比于文獻[12]中低開銷的Inverter PUF，混合型PUF穩定性有顯著提升；相比于文獻[7]中具有高穩定性的SRAM PUF，混合型PUF無需額外篩選和剔除過程；相比于文獻[13]中的Antifuse PUF，混合型PUF在能耗上降低了約70%，同時還具有可重構功能；相比于文獻[8]中結構和功能類似的RRAM PUF，混合型PUF在能耗上降低了約50%。混合型PUF每比特指紋值的芯片面積相對較大，通過減小工藝尺寸，增加PUF生成的ID位數即可有效提升面積效率。

表3 與其他典型芯片指紋PUF方案對比

5 結 束 語

本文從PUF穩定性和隨機性問題出發，引入RRAM器件來增強PUF單元的隨機偏差。通過具有高隨機性高開關比的石墨烯電極RRAM器件，提升了RRAM PUF的整體性能，采用PUF偏差放大技術提高了PUF芯片指紋電路的唯一性和穩定性，通過設計混合RRAM PUF芯片的整體結構和工作模式，提高了PUF芯片指紋電路的可靠性和安全性。