Новый метод изготовления чипов создает «двойные» отпечатки пальцев для прямой аутентификации

Точно так же, как у каждого человека есть уникальные отпечатки пальцев, каждый CMOS-чип имеет особый «отпечаток пальца», вызванный крошечными случайными производственными отклонениями. Инженеры могут использовать этот не поддающийся подделке идентификатор для аутентификации, чтобы защитить устройство от злоумышленников, пытающихся украсть личные данные.

Но эти криптографические схемы обычно требуют хранения секретной информации об отпечатке чипа на стороннем сервере. Это создает уязвимости безопасности и требует дополнительной памяти и вычислений.

Чтобы преодолеть это ограничение, инженеры MIT разработали метод производства, который обеспечивает безопасную аутентификацию на основе отпечатков пальцев без необходимости хранить секретную информацию вне чипа.

Во время производства специально разработанный чип разделяют таким образом, что каждая половина имеет одинаковый общий отпечаток пальца, уникальный для этих двух чипов. Каждый чип может использоваться для прямой аутентификации другого. Этот недорогой метод изготовления отпечатков пальцев совместим со стандартными процессами литья КМОП и не требует специальных материалов.

Этот метод может быть полезен в электронных системах с ограниченным энергопотреблением и невзаимозаменяемыми парами устройств, таких как проглатываемая сенсорная таблетка и парный носимый пластырь, которые контролируют состояние желудочно-кишечного тракта. Используя общий отпечаток пальца, таблетка и патч могут аутентифицировать друг друга без посреднического устройства.

«Самым большим преимуществом этого метода безопасности является то, что нам не нужно хранить какую-либо информацию. Все секреты всегда будут оставаться в безопасности внутри кремния. Это может обеспечить более высокий уровень безопасности. Пока у вас есть этот цифровой ключ, вы всегда можете открыть дверь», — говорит Ынсок Ли, аспирант электротехники и информатики (EECS) и ведущий автор статьи об этом методе безопасности.

К работе Ли присоединились аспиранты EECS Джехонг Юнг и Майтрейи Ашок; а также состаршие авторы Ананта Чандракасан, проректор Массачусетского технологического института и профессор электротехники и информатики Ванневара Буша, и Руонан Хан, профессор EECS и член Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института. Исследование было недавно представлено на Международная конференция IEEE по твердотельным схемам.

«Создание общих ключей шифрования на доверенных предприятиях по производству полупроводников может помочь преодолеть компромисс между большей безопасностью и удобством использования для защиты передачи данных», — говорит Хан. «Эта работа, основанная на цифровых технологиях, все еще является предварительным испытанием в этом направлении; мы изучаем, как можно дублировать более сложную аналоговую секретность – и дублировать только один раз».

Использование вариаций

Несмотря на то, что они должны быть идентичными, каждый CMOS-чип немного отличается из-за неизбежных микроскопических изменений во время изготовления. Эти рандомизации дают каждому чипу уникальный идентификатор, известный как физическая неклонируемая функция (PUF), который практически невозможно повторить.

PUF чипа может использоваться для обеспечения безопасности так же, как система идентификации отпечатков пальцев человека на ноутбуке или дверной панели.

Для аутентификации сервер отправляет запрос устройству, которое отвечает секретным ключом, основанным на его уникальной физической структуре. Если ключ соответствует ожидаемому значению, сервер аутентифицирует устройство.

Но данные аутентификации PUF должны быть зарегистрированы и сохранены на сервере для последующего доступа, что создает потенциальную уязвимость безопасности.

«Если нам не нужно хранить информацию об этих уникальных рандомизациях, PUF станет еще более безопасным», — говорит Ли.

Исследователи хотели добиться этого, разработав согласованную пару PUF на двух чипах. Один может аутентифицировать другого напрямую, без необходимости хранить данные PUF на сторонних серверах.

В качестве аналогии рассмотрим лист бумаги, разорванный пополам. Разорванные края случайны и уникальны, но кусочки имеют общую случайность, потому что они идеально подходят друг к другу вдоль разорванного края.

Хотя CMOS-чипы не рвутся пополам, как бумага, многие из них изготавливаются сразу на кремниевой пластине, которую нарезают кубиками для разделения отдельных чипов.

Включив общую случайность на краях двух чипов перед их разделением на кубики, исследователи смогли создать двойной PUF, уникальный для этих двух чипов.

«Для дополнительной безопасности нам нужно было найти способ сделать это до того, как чип покинет литейный завод. Как только изготовленный чип попадет в цепочку поставок, мы не будем знать, что с ним может случиться», — объясняет Ли.

Делимся случайностью

Чтобы создать двойной PUF, исследователи изменяют свойства набора транзисторов, изготовленных по краям двух чипов, используя процесс, называемый пробой оксида затвора.

По сути, они подают высокое напряжение в пару транзисторов, светя дешевым светодиодом, пока первый транзистор не выйдет из строя. Из-за небольших производственных различий каждый транзистор имеет немного разное время пробоя. Исследователи могут использовать это уникальное состояние распада в качестве основы для PUF.

Чтобы создать двойной PUF, исследователи из Массачусетского технологического института изготавливают две пары транзисторов по краям двух чипов, прежде чем их разрезают на кубики, чтобы разделить их. Соединяя транзисторы металлическими слоями, они создают парные структуры, имеющие коррелированные состояния пробоя. Таким образом, они позволяют каждой паре транзисторов использовать уникальный PUF.

После включения светодиодного света для создания PUF они нарезают чипы между транзисторами так, чтобы на каждом устройстве была одна пара, давая каждому отдельному чипу общий PUF.

«В нашем случае пробой транзистора не был хорошо смоделирован во многих наших симуляциях, поэтому существовала большая неопределенность относительно того, как будет работать этот процесс. Выяснение всех шагов и порядка, в котором они должны произойти, чтобы создать эту общую случайность, является новинкой этой работы», — говорит Ли.

После точной настройки процесса генерации PUF исследователи разработали прототип пары двойных чипов PUF, в которых рандомизация сопоставлялась с надежностью более 98 процентов. Это обеспечит согласованное совпадение сгенерированного ключа PUF, обеспечивая безопасную аутентификацию.

Поскольку они создали этот двойной PUF, используя схемотехнику и недорогие светодиоды, этот процесс было бы легче реализовать в масштабе, чем другие методы, которые более сложны или несовместимы со стандартным изготовлением КМОП.

«В нынешней конструкции общая случайность, возникающая в результате поломки транзистора, немедленно преобразуется в цифровые данные. Будущие версии смогут сохранить эту общую случайность непосредственно внутри транзисторов, повышая безопасность на самом фундаментальном физическом уровне чипа», — говорит Ли.

«Существует быстро растущий спрос на безопасность физического уровня для периферийных устройств, например, между медицинскими датчиками и устройствами на теле, которые часто работают в условиях строгих энергетических ограничений. Подход с двумя парами PUF обеспечивает безопасную связь между узлами без бремени тяжелых накладных расходов протокола, тем самым обеспечивая как энергоэффективность, так и надежную безопасность. Эта первоначальная демонстрация прокладывает путь для инновационных достижений в разработке безопасного оборудования», — добавляет Чандракасан.