物理不可克隆函数（Physically Unclonable Function, PUF）是一种新型硬件安全技术，其利用硬件电路自身的某种随机特性，让每颗芯片拥有与生俱来，不可克隆，不可预测的指纹信息。PUF技术可以为数亿物联网设备提供轻量级信任根，是解决当前物联网安全问题的一项关键技术。另一方面，由于PUF在安全系统中的重要地位，针对PUF的新型攻击手段层出不穷，PUF的安全性面临威胁。侵入式或非侵入式的攻击手段可以直接窃取PUF芯片中所含的指纹信息，从而攻破整个安全系统。因此，如何实现可“隐匿”于各种攻击之下的PUF电路是该领域的一大重难点。
近期，清华大学集成电路学院的钱鹤、吴华强教授课题组研制出一种基于忆阻器阵列的PUF电路，成功实现了芯片指纹隐藏的功能。这种PUF具有两个相互间可任意切换的模式：其中正常模式下每个忆阻器单元具有确定的高阻或低阻状态，全部忆阻器单元的高低阻态分布形成了PUF特有的指纹信息；而在另一种隐藏模式下，全部忆阻器都处于低阻状态，外界无法读出任何有效的信息。
忆阻器件在操作过程中会随机在内部形成导电细丝，导致不同器件间展现出电阻值差异，PUF基于这一器件间的随机特性生成指纹信息。除此之外，忆阻器件的电阻值在循环操作过程中还可呈现出“相关阻变特性”，即忆阻器在被反复操作的过程中，得到的更新后电阻值与初始电阻值之间具有显著相关性。这种特性使忆阻器能以低成本的方式实现对数据的隐藏和复现，从而实现安全性更强的可隐藏PUF。
基于忆阻器阵列的可隐藏物理不可克隆函数电路及硬件系统
为解释这一物理现象，课题组提出了一种细丝阻变模型，认为组成导电细丝的氧空位可分为具有低迁移势垒的动态（dynamic）部分和具有高迁移势垒的常驻（resident）部分。当满足一定操作条件时，置位操作（SET）会产生新的动态氧空位，这些氧空位会在下一次复位操作（RESET）中被完全湮灭；在这过程中，常驻氧空位则不受影响，导致复位操作后得到的导电细丝形貌基本不发生变化，电阻值因而呈现出相关性。根据上述特性，可以利用一次置位操作来隐藏指纹信息，再利用一次复位操作来恢复指纹信息。
忆阻器的循环间相关性及机理模型
课题组利用所搭建的硬件安全系统成功验证了可隐藏PUF，演示了指纹信息的动态隐藏和恢复，并实现了0%误码率。实验结果表明，该可隐藏PUF能够抵御多种攻击手段，包括探针攻击、神经网络攻击和侧信道攻击。本工作为构建更安全的硬件安全系统提供了新的解决方案。
可隐藏PUF实验验证及抗攻击能力评估结果
近期，该项工作的相关研究成果以“Concealable Physically Unclonable Function Chip with a Memristor Array”为题在《科学进展》（Science Advances）上在线发表。清华大学集成电路学院高滨副教授、吴华强教授是本论文的共同通讯作者，高滨和集成电路学院2018级博士生林博瀚为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。近年来，课题组一直致力于忆阻器PUF技术的研究，曾于2019年成功研制出基于忆阻器阵列的可重构PUF芯片，在国际固态电路会议（ISSCC）上发表，并被《自然•电子》（Nature Electronics）选为“research highlights”。
