[發明專利]一種MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法及裝置

在審

• 申請號: 201710805331.6
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN109472169A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 簡紅;蔣信
• 申請（專利權）人: 中電?？导瘓F有限公司
• 主分類號: G06F21/73
• 分類號: G06F21/73;G11C11/16
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊天嬌

本發明公開了一種MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法及裝置，所述方法從MRAM芯片中任意選擇一個磁性隧道結MTJ位元作為參考位元，依次將MRAM芯片中預設數量的其他磁性隧道結MTJ位元的電阻與參考位元的電阻進行比較，記錄比較結果，生成邏輯狀態圖，利用所述邏輯狀態圖生成MRAM芯片的物理不可克隆函數PUF。本發明的裝置包括初始化模塊、參考位元選擇模塊、比較模塊和PUF生成模塊。本發明的方法及裝置，生成的PUF函數的數量和復雜程度與芯片的容量成正比。

技術領域

本發明涉及集成電路設計技術領域，尤其涉及一種MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法及裝置。

背景技術

物理不可克隆函數(PUF)是一種應用在計算機芯片安全領域的先進技術，利用每一個芯片本征的物理獨特性為其生成專屬的識別標識。通常PUF可以利用芯片在材料級別的獨特性生成芯片的專屬標識。在芯片制造過程中，由于工藝的波動，在每一個芯片中將不可避免地引入不同類型的偏差，理論上這些偏差是隨機分布的，而且每一個芯片的偏差分布都是不可控的，因此很難找到兩個細節上完全相同的芯片。對芯片實施一個針對其偏差的激勵，芯片會產生一個響應，由于芯片物理偏差的隨機性，芯片對激勵的響應也將具有隨機性和不可預測性。因此，利用芯片偏差的獨特性和不可復制性，可以生產芯片專屬的PUF響應。

MRAM是一種非易失隨機存取存儲器，與傳統的存儲器不同，MRAM利用材料的磁電阻效應來實現數據的存儲，其核心存儲位元是磁隧道結(MTJ)。圖1是典型的MRAM存儲位元結構，MTJ主要由釘扎層110，絕緣勢壘層120和自由層130組成。釘扎層110也稱為參考層，它的磁矩方向保持不變，僅改變自由層130的磁矩方向使之與釘扎層110同向或反向。MTJ依靠量子隧穿效應使電子通過絕緣勢壘層120，極化電子的隧穿概率和釘扎層110與自由層130的相對取向有關。當釘扎層110與自由層130磁化方向相同時，電子的隧穿概率較高，此時MTJ表現為低電阻狀態(Rp)；而當釘扎層110與自由層130磁化方向相反時，電子的隧穿概率較低，此時MTJ表現為高電阻狀態(Rap)。MRAM分別利用MTJ的Rp和Rap狀態來表示邏輯狀態“1”和“0”，從而實現數據存儲。

在MRAM制造過程中，很難保證每一個MTJ位元完全相同。MTJ結構的電阻除了與自由層和釘扎層的相對取向有關外，還受到MRAM制造過程中的工藝偏差的影響，包括薄膜厚度，位元大小，薄膜均一性及界面結構等的偏差都會導致MTJ位元電阻的波動。由制造工藝引起的偏差導致MTJ位元電阻并不是一個確定值，而是具有一定的分布。由于工藝偏差本身的隨機性和不可預測性，MTJ電阻的分布也呈現隨機性。如圖2所示，通常認為Rp和Rap呈高斯分布。

發明內容

本發明的目的是提供一種MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法及裝置，選取任意一個磁性隧道結位元作為參考位元，與存儲陣列中的其他磁性隧道結位元比較相同狀態下的電阻大小，并將每一個比較結果標記為0或1，由于每一個磁性隧道結的電阻偏差隨機分布，所以用此方法可以得到一組隨機數，且該隨機數可以作為物理不可克隆函數，用作芯片的PUF響應。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法，所述方法包括：

將MRAM芯片初始化為低阻態或高阻態；

從MRAM芯片中選擇任意一個MTJ位元作為參考位元；

依次將MRAM芯片中預設數量的其他磁性隧道結MTJ位元的電阻與參考位元的電阻進行比較，記錄比較結果，生成邏輯狀態圖；

利用所述邏輯狀態圖生成MRAM芯片的物理不可克隆函數PUF。

進一步地，所述MRAM芯片的物理不可克隆函數生成方法，還包括：

從MRAM芯片中選取另一個磁性隧道結MTJ位元作為參考位元；