新しいチップ製造方法により直接認証用の「ツイン」指紋が作成される

人それぞれに固有の指紋があるのと同じように、すべての CMOS チップには、わずかでランダムな製造上のばらつきによって生じる独特の「指紋」があります。エンジニアはこの偽造不可能な ID を認証に利用して、個人データを盗もうとする攻撃者からデバイスを保護できます。

しかし、これらの暗号化スキームでは通常、チップの指紋に関する秘密情報をサードパーティのサーバーに保存する必要があります。これによりセキュリティ上の脆弱性が生じ、追加のメモリと計算が必要になります。

この制限を克服するために、MIT エンジニアは、チップの外部に秘密情報を保存する必要がなく、安全な指紋ベースの認証を可能にする製造方法を開発しました。

彼らは、製造中に特別に設計されたチップを分割し、各半分がこれら 2 つのチップに固有の同一の共有フィンガープリントを持つようにしました。各チップを使用して、他のチップを直接認証できます。この低コストのフィンガープリント製造方法は、標準の CMOS ファウンドリ プロセスと互換性があり、特別な材料を必要としません。

この技術は、胃腸の健康状態を監視する摂取可能なセンサー錠剤とそのペアのウェアラブルパッチなど、交換不可能なデバイスペアを備えた電力に制約のある電子システムで役立つ可能性があります。共有指紋を使用すると、間にデバイスを介さずに、錠剤とパッチは相互に認証できます。

「このセキュリティ方式の最大の利点は、情報を保存する必要がないことです。すべての秘密は常にシリコン内に安全に保たれます。これにより、より高いレベルのセキュリティを実現できます。このデジタル キーを持っている限り、いつでもドアのロックを解除できます」と、電気工学およびコンピュータ サイエンス (EECS) の大学院生であり、このセキュリティ方式に関する論文の主著者である Eunseok Lee 氏は述べています。

Lee氏はEECS大学院生のJaehong Jung氏とMaitreyi Ashok氏もこの論文に参加している。共同上級著者には、MIT 学長で電気工学およびコンピューター サイエンスのヴァネバー ブッシュ教授であるアナンタ チャンドラカサン氏、EECS 教授で MIT 電子研究所のメンバーであるルオナン ハン氏も含まれます。この研究は最近、 IEEE 国際ソリッドステート回路会議。

「信頼できる半導体ファウンドリで共有暗号鍵を作成すれば、より安全であることと、データ送信の保護に使用する利便性との間のトレードオフを打破するのに役立つ可能性があります」とハン氏は言う。 「デジタルベースのこの研究は、この方向でのまだ予備的な試みにすぎません。私たちは、より複雑なアナログベースの秘密をどのように複製できるか、しかも一度だけ複製できるかを模索しています。」

バリエーションを活用する

同一であることを意図している場合でも、各 CMOS チップは、製造時の避けられない微細なばらつきにより、わずかに異なります。これらのランダム化により、各チップに、 物理的な複製不可能な機能 (PUF)、それを再現するのはほぼ不可能です。

チップの PUF を使用すると、ラップトップやドア パネルの人間の指紋識別システムと同じようにセキュリティを提供できます。

認証のために、サーバーはデバイスにリクエストを送信し、デバイスはその固有の物理構造に基づいて秘密キーで応答します。キーが期待値と一致する場合、サーバーはデバイスを認証します。

ただし、後でアクセスできるように PUF 認証データをサーバーに登録して保存する必要があるため、潜在的なセキュリティ上の脆弱性が生じます。

「こうした独自のランダム化に関する情報を保存する必要がなければ、PUF はさらに安全になります」と Lee 氏は言います。

研究者らは、2 つのチップ上で一致する PUF ペアを開発することでこれを達成したいと考えました。サードパーティのサーバーに PUF データを保存することなく、一方がもう一方を直接認証できます。

例として、半分に裂かれた紙を考えてみましょう。引き裂かれたエッジはランダムでユニークですが、破片は引き裂かれたエッジに沿って完全に元に戻るため、共通のランダム性を持っています。

CMOSチップは紙のように半分に引き裂かれるわけではありませんが、多くは個々のチップに分離するためにダイシングされたシリコンウェハー上に一度に製造されます。

2 つのチップを分割して分離する前に、チップのエッジに共有ランダム性を組み込むことで、研究者らはこれら 2 つのチップに固有のツイン PUF を作成することができました。

「安全性を高めるために、チップが鋳造工場から出荷される前にこれを行う方法を見つける必要がありました。製造されたチップがサプライチェーンに入ると、それに何が起こるかわかりません」とリー氏は説明します。

ランダム性の共有

ツイン PUF を作成するために、研究者らは、ゲート酸化膜ブレークダウンと呼ばれるプロセスを使用して、2 つのチップのエッジに沿って製造された一連のトランジスタの特性を変更します。

基本的に、最初のトランジスタが故障するまで、低コストの LED で光を照射することで、一対のトランジスタに高電圧をポンプで供給します。製造上のわずかなばらつきにより、各トランジスタのブレークダウン時間はわずかに異なります。研究者は、このユニークな破壊状態を PUF の基礎として使用できます。

ツイン PUF を実現するために、MIT の研究者らは、2 つのチップをダイシングして分離する前に、2 つのチップのエッジに沿って 2 対のトランジスタを製造しました。トランジスタを金属層で接続することにより、相関した降伏状態を持つペア構造が作成されます。このようにして、固有の PUF をトランジスタの各ペアで共有できるようになります。

LED ライトを照射して PUF を作成した後、トランジスタ間のチップをダイシングして、各デバイス上に 1 つのペアが存在し、それぞれの個別のチップに共有 PUF が与えられます。

「私たちの場合、トランジスタの故障は、私たちが行ったシミュレーションの多くで十分にモデル化されていなかったため、プロセスがどのように機能するかについて多くの不確実性がありました。この共有ランダム性を生成するために必要なすべてのステップとその順序を解明したことは、この研究の目新しいところです」とリー氏は言います。

PUF 生成プロセスを微調整した後、研究者らはランダム化が 98% 以上の信頼性で一致したツイン PUF チップのプロトタイプ ペアを開発しました。これにより、生成された PUF キーが一貫して一致することが保証され、安全な認証が可能になります。

彼らは回路技術と低コストの LED を使用してこのツイン PUF を生成したため、このプロセスは、より複雑な、または標準的な CMOS 製造と互換性のない他の方法よりも大規模に実装するのが容易です。

「現在の設計では、トランジスタの故障によって生成される共有ランダム性はすぐにデジタルデータに変換されます。将来のバージョンでは、この共有ランダム性をトランジスタ内に直接保存し、チップの最も基本的な物理レベルでのセキュリティを強化できる可能性があります」とリー氏は言う。

「医療センサーと身体上のデバイスの間など、厳しいエネルギー制約下で動作することが多いエッジデバイスの物理層セキュリティに対する需要が急速に高まっています。ツインペアPUFアプローチにより、プロトコルオーバーヘッドの負担なくノード間の安全な通信が可能となり、エネルギー効率と強力なセキュリティの両方を実現します。この最初のデモンストレーションは、安全なハードウェア設計における革新的な進歩への道を切り開きます。」とチャンドラカサン氏は付け加えました。