二维半导体硬件安全器件研究获重要进展
二维半导体硬件安全器件研究获重要进展
近日，松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所和湖南大学组成的研究团队在二维半导体硬件安全器件研究方面取得重要进展。该工作提出了一种基于晶圆级单层二硫化钼的光可重构环形振荡器物理不可克隆函数（RO-PUF），为二维半导体材料在硬件安全领域的应用提供了新的器件架构与实现路径。相关研究成果发表于《自然-通讯》。
基于PUF的硬件安全技术，能够利用器件制造过程中固有的微观随机差异生成唯一且难以复制的硬件指纹，是物联网终端、边缘计算芯片和可信电子系统的重要安全基础。其中，RO-PUF具有结构紧凑、功耗低、响应速度快等优势。然而，传统硅基RO-PUF普遍存在熵密度较低、挑战-响应空间固定、部署后难以重构等问题，容易遭受机器学习建模攻击，难以满足复杂应用场景对长期安全性的需求。
二硫化钼环形振荡器物理不可克隆函数密码学示意图。研究团队供图
二硫化钼作为典型二维半导体材料，兼具优异的电学性能、强光响应特性和晶圆级制备潜力，为构建新型可重构PUF器件提供了重要材料平台。然而，已有基于二维材料的PUF多依赖生长形貌无序、异质结构随机性或晶体管阈值电压波动等静态熵源，器件制备完成后挑战-响应关系基本固定，仍存在被长期建模和预测的风险。因此，如何在保持硬件结构稳定的同时引入动态可调熵源，是提升PUF安全性与实用性的关键问题。
研究团队基于晶圆级单层二硫化钼构建了8×8共64个单元的五级环形振荡器阵列，提出了一种光可重构RO-PUF器件。该器件利用二硫化钼晶体管之间固有的微观电学差异提供本征电学熵，同时利用红光、绿光、蓝光等不同波长光照对振荡频率的选择性调制作用，引入动态光学熵维度，从而在不改变硬件结构的前提下实现可重复、可逆的密钥重构。
研究表明，所制备的二硫化钼场效应晶体管具有良好的器件一致性和稳定电学性能，基于其构建的五级环形振荡器能够实现稳定的自持振荡。在不同波长光照下，振荡器频率表现出明显的光谱选择性响应，其中红光调控作用最强，绿光次之，蓝光较弱。这种波长依赖的频率调制行为与二硫化钼的光吸收和载流子响应特性密切相关，为PUF提供了可控且可重构的光学熵源。
研究团队建立了完整的密钥生成流程。阵列输出的频率信号经过片内归一化、随机高斯投影、q元量化、SHA-256隐私放大以及HMAC密钥推导后，可生成用于加密与认证的安全密钥。统计结果显示，所生成密钥在均匀性、唯一性和随机性方面均接近理想水平；经哈希处理后，器件间归一化汉明距离接近0.5，表明不同硬件单元之间具有高度可区分的唯一指纹特征。
该研究还系统验证了二硫化钼RO-PUF在图像加密、身份认证和篡改检测中的应用能力。实验结果表明，基于PUF生成的密钥可将图像加密为高度随机化的密文，使用正确密钥能够准确恢复原始图像，而错误光照条件或错误密钥则无法完成解密。在篡改检测测试中，系统能够有效识别密文中的微小改动，表现出良好的完整性校验能力和认证稳定性。
针对硬件PUF面临的机器学习攻击问题，研究团队进一步采用多层感知器、支持向量机和线性回归等模型进行攻击测试。结果表明，经过哈希处理后的密钥预测准确率接近随机猜测水平，说明该系统能够有效切断模拟频率特征与最终密钥之间的可学习映射，显著提升抗机器学习攻击能力。与传统CMOS SRAM PUF、石墨烯FET PUF、碳纳米管PUF及已有二硫化钼基PUF相比，该光可重构RO-PUF在唯一性、均匀性、多熵源能力、动态可重构性和抗攻击能力等方面展现出综合优势。
该研究不仅解决了传统PUF密钥固定、熵源单一和易受建模攻击等问题，也为未来物联网终端、边缘计算芯片、可穿戴设备及芯片防伪等场景提供了一种兼具低功耗、可重构性和高安全性的新型解决方案。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72557-8