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报道:光电信息学院游龙教授团队在基于电子自旋的低功耗信息安全器件及系统研究领域取得进展

10月26日,纳米学权威期刊《纳米快报》(Nano Letters)在线发表了光电信息学院游龙教授团队题为《基于界面磁各向异性的高安全性物理不可克隆加密原型器件及系统》(Highly Secure Physically Unclonable Cryptographic Primitives Based on InterfacialMagnetic Anisotropy.DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03338)的研究论文。光电信息学院16级硕士研究生陈惠明、博士后郭喆及湖北大学宋敏讲师为论文共同第一作者,游龙教授为论文通讯作者。




(a)用于物理不可克隆加密的磁性异质结阵列,(b)物理不可克隆函数的激励响应对。


电子自旋物理不可克隆函数产生的密钥。


该论文研究了磁性材料中常用的Ta/CoFeB/MgO垂直异质结薄膜的磁各向异性与MgO厚度的关系,发现MgO厚度亚纳米级别的厚度变化就会引起该异质结磁性能的巨大变化,这种变化来源于退磁场与CoFeB/MgO界面各向异性场的竞争。利用氩离子刻蚀自身存在的不均匀性,上述异质结薄膜在同时刻蚀时各处的MgO厚度会发生随机变化。这种随机变化人为无法控制也无法复制,因此相当于成为该器件的磁性“指纹”。通过反常霍尔效应可以精确地探测这种随机变化,从利用该随机变化制备的物理不可克隆函数(PUF)器件阵列提取出的随机密钥具有高安全性和稳定性,在信息加密领域具有重要应用。

该研究的创新之处在于解决了传统硅基PUF容易被破解的问题,传统的硅基PUF由于利用晶体管的延时特性,其容易被机器学习且易破解。而先前人们提出的基于传统磁性随机存储器(MRAM)的PUF器件则通常需要加大电流或者外加磁场才能捕获器件的随机性。游龙团队提出的方案则无需大电流或外磁场写入,大大降低了器件的集成复杂度和功耗。另一方面,该自旋PUF不同于以往常用的数字PUF,其提取的模拟磁电阻值通过比较算法可以产生比传统的二进制数字PUF大得多的密钥长度,大大地提高了系统安全性。

该研究得到国家自然基金委面上项目和创新群体项目(61674062、61821003)以及中央高校基本研究专项资金(HUST:2018KFYXKJC019)等的资助。


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