納米級密碼學方法從靜摩擦中獲得穩(wěn)健性

保持重要數(shù)據(jù)安全的大多數(shù)加密方法都使用復雜的加密軟件，因此消耗大量電力。隨著越來越多的電子設備連接到互聯(lián)網，越來越需要替代的低功耗安全方法，這通常是通過將安全性建立在硬件上而不是軟件上來實現(xiàn)的。

基于硬件的低功耗安全性最有前途的方法之一是從納米級器件制造過程中固有和不可控制地出現(xiàn)的隨機性中獲取加密密鑰。這些稱為“物理不可克隆函數(shù)”(PUF)的方法將物理設備中的隨機變化轉換為二進制狀態(tài)“0”和“1”，以創(chuàng)建唯一的隨機加密密鑰。然后，只要密鑰保持私有，這些密鑰就可以用于將數(shù)據(jù)加密為密文，并將其解密回純文本，并保持安全。

然而，PUF技術面臨的最大挑戰(zhàn)之一是其易受惡劣環(huán)境的影響。由于形成鍵的基礎的物理隨機性通常源于電特性的變化，并且電特性受到諸如高溫和輻射的外部因素的影響，因此這些裝置在暴露于這些條件時通常不保持其狀態(tài)。

在發(fā)表于新文ACS納米，研究人員領導楊-Kyu Choi的科學與技術院(KAIST)的韓國高級金融學院，與三星電子和SK海力士公司的合作者，已經開發(fā)出一種新型PUF的裝置，剩下的在惡劣的條件下利用一個令人驚訝的因素穩(wěn)定：靜摩擦。

通常，靜摩擦是微機電系統(tǒng)和納米機電系統(tǒng)(MEMS / NEMS)裝置的主要失效現(xiàn)象，因為它導致部件由于在微米級以下變得突出的力而粘在一起。然而，在他們的工作中，研究人員通過在制造過程的干燥步驟中自然地產生強大的毛細力來使用靜摩擦力。該力使得器件中的硅納米線在兩個方向中的一個方向上隨機彎曲，使得其接觸一側的柵極(對應于“0”狀態(tài))或另一側的柵極(“1”狀態(tài))。 )。第二種力，即范德瓦爾斯力，使納米線保持粘附在澆口上，保持其狀態(tài)。

研究人員證明，這種粘附力足以承受惡劣的環(huán)境因素，如高溫，高劑量輻射和微波。在288位陣列中，當暴露于這些條件時，沒有一個位失敗。

測試還表明，由于器件的對稱結構，納米線具有粘附到兩個柵極中的任一個的相等概率，表明高度隨機性。當數(shù)十個這些設備排列成陣列時，它們產生不可預測的“0”和“1”模式，形成唯一加密密鑰的基礎。

憑借其良好的隨機性和可靠性，新的安全方法可用于航空航天和軍事應用。

“基于NEM開關的PUF具有兩個優(yōu)點：與商用硅CMOS制造的高兼容性和強大的穩(wěn)定性，”Choi告訴Tech Xplore。“有趣的是，我們使用靜摩擦，這是與NEMS相關的長期問題之一，以提高穩(wěn)健性。此外，當它被盜并面臨網絡攻擊時，它可以通過隱身模式進行自我毀滅。”

在未來，研究人員計劃通過加倍密鑰大小來進一步提高安全性。

“我們計劃通過增加加密密鑰大小來尋找一種改進的方法來增強安全性，”Choi說。“在我們的論文中，器件中的硅納米線僅具有二元狀態(tài)('0'，'1')。相比之下，通過更精確地細分單個硅納米線的狀態(tài)，我們可以形成四分之一狀態(tài)('00 '，'01'，'10'，'11')。這將使加密密鑰大小加倍而不增加數(shù)組大小。“