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近日，北(bei)航物理學院微納物理與應用研(yan)究室謝勇(yong)副教授、陳子瑜教授和(he)國(guo)家納米科學中心劉(liu)前(qian)研(yan)究員、德國(guo)卡(ka)爾斯魯厄理工學院王彥柯博士合作(zuo)，在(zai)物理不可復制功能(PUF)防偽(wei)系統方面取得重要(yao)進展，相(xiang)關研(yan)究成果于(yu)2023年4月18日以“Random fractal-enabled physical unclonable functions with dynamic AI authentication”為(wei)題在(zai)線發(fa)表于(yu)《自然(ran)-通訊》。博士生孫寧飛為(wei)第(di)一作(zuo)者，謝勇(yong)和(he)劉(liu)前(qian)為(wei)通訊作(zuo)者，北(bei)航為(wei)第(di)一單位。
當今(jin)時代，市場化(hua)(hua)快(kuai)速發(fa)展、人(ren)們(men)消費水(shui)平不斷(duan)提高(gao)，假(jia)冒(mao)偽(wei)(wei)劣商(shang)品(pin)的(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)對(dui)社會經濟以(yi)及人(ren)們(men)生命財產安全(quan)造(zao)成不良影響。通過提高(gao)防偽(wei)(wei)標識的(de)(de)安全(quan)等級和偽(wei)(wei)造(zao)難(nan)度可以(yi)有效(xiao)遏(e)制(zhi)假(jia)冒(mao)商(shang)品(pin)的(de)(de)傳播，傳統(tong)防偽(wei)(wei)標簽(qian)(qian)(qian)因其(qi)確定(ding)(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)構筑模(mo)式在(zai)(zai)(zai)自身安全(quan)性(xing)(xing)(xing)方(fang)面存(cun)在(zai)(zai)(zai)較大漏洞。PUF標識符因其(qi)內稟隨(sui)(sui)機(ji)屬性(xing)(xing)(xing)(intrinsic randomness)，將其(qi)用(yong)作商(shang)品(pin)的(de)(de)特定(ding)(ding)(ding)“指紋”密鑰，可從根本(ben)上遏(e)制(zhi)標簽(qian)(qian)(qian)被偽(wei)(wei)造(zao)的(de)(de)可能。盡管當前基于(yu)PUF的(de)(de)標識符已在(zai)(zai)(zai)諸如(ru)(ru)隨(sui)(sui)機(ji)褶皺、隨(sui)(sui)機(ji)SERS信號、無規(gui)液滴圖案(an)(an)等技術(shu)方(fang)案(an)(an)中被實(shi)現，然而，報道結果基本(ben)停留(liu)在(zai)(zai)(zai)概念論證階段，同時存(cun)在(zai)(zai)(zai)低穩定(ding)(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)、不易讀(du)取(qu)、不易定(ding)(ding)(ding)位等技術(shu)和實(shi)用(yong)難(nan)題。如(ru)(ru)何滿足規(gui)模(mo)化(hua)(hua)、低成本(ben)、高(gao)穩定(ding)(ding)(ding)、高(gao)效(xiao)驗證的(de)(de)實(shi)用(yong)化(hua)(hua)需求，制(zhi)備出高(gao)安全(quan)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)PUF防偽(wei)(wei)標簽(qian)(qian)(qian)并開發(fa)相(xiang)適應的(de)(de)可靠識別系統(tong)仍存(cun)在(zai)(zai)(zai)挑戰。
本(ben)項(xiang)工作中(zhong)，謝勇等(deng)人(ren)開發了(le)一(yi)種由隨機(ji)分(fen)形(xing)網(wang)絡(luo)標(biao)(biao)識(shi)(shi)符和(he)深度(du)學習識(shi)(shi)別(bie)驗證模型組成的新型PUF防(fang)偽系統，利用金(jin)屬薄膜高溫脫滲原理(li)獲得(de)隨機(ji)分(fen)形(xing)金(jin)網(wang)絡(luo)結構作為PUF防(fang)偽標(biao)(biao)識(shi)(shi)符的基本(ben)單(dan)元，通過調控(kong)薄膜厚(hou)度(du)可(ke)實現標(biao)(biao)識(shi)(shi)符編碼(ma)容量(liang)的靈活可(ke)配(pei)置(編碼(ma)值(zhi)可(ke)達10348)，同時(shi)繼承了(le)惰性(xing)金(jin)屬極高的環境穩定性(xing)和(he)耐用性(xing)。經過表面(mian)粗糙化處理(li)后的金(jin)網(wang)絡(luo)結構，可(ke)進(jin)一(yi)步獲得(de)與(yu)物(wu)理(li)特(te)征信(xin)息相疊(die)加的表面(mian)等(deng)離(li)子增強拉曼光譜信(xin)息，作為標(biao)(biao)識(shi)(shi)符的二(er)級(ji)安全“指紋”密鑰(yao)，增強了(le)設(she)計PUF標(biao)(biao)識(shi)(shi)符的信(xin)息存儲能力(li)和(he)防(fang)克(ke)隆能力(li)。
PUF的制作(zuo)流程、光學表征及(ji)類(lei)“凱西樹”分形結構(gou)模型(xing)
借(jie)助(zhu)高(gao)通量的(de)(de)圖(tu)案化光刻(鏤空(kong)模板)、薄膜(mo)沉(chen)積(ji)以(yi)及(ji)一(yi)步(bu)(bu)熱退火技術，可(ke)實(shi)現(xian)(xian)晶圓級PUF單元制作(zuo)，體現(xian)(xian)了批量化、低(di)(di)成(cheng)本(單個(ge)標簽成(cheng)本不(bu)到1美分(fen))的(de)(de)制作(zuo)特點。為了應用到實(shi)際(ji)防偽(wei)場(chang)景，作(zuo)者(zhe)進一(yi)步(bu)(bu)開發了一(yi)種基于深(shen)度學習算法的(de)(de)圖(tu)像(xiang)PUF識別驗(yan)證系(xi)統，借(jie)助(zhu)ResNet50分(fen)類神(shen)經網絡(luo)模型(xing)對37000個(ge)PUF標識符(10348)實(shi)現(xian)(xian)了可(ke)溯源(yuan)、快(kuai)速(6.36s)、高(gao)精度(0%假(jia)陽性)的(de)(de)驗(yan)證，并(bing)提出了一(yi)種動態數據庫(ku)策略，賦予深(shen)度學習模型(xing)極高(gao)的(de)(de)數據庫(ku)擴容能(neng)力，理論上打破(po)了龐大(da)數據庫(ku)的(de)(de)建立與低(di)(di)訓練時間成(cheng)本難以(yi)兼(jian)容的(de)(de)技術瓶頸。
深度(du)學習識別(bie)驗證系統的(de)建立(li)及擴容、解(jie)碼性能展示
此外，研(yan)究(jiu)成(cheng)(cheng)果所(suo)介紹(shao)的(de)(de)PUF制作流程與微電子工藝流程高度(du)兼容，有望與精(jing)密元器件直接集成(cheng)(cheng)并完(wan)成(cheng)(cheng)其真偽(wei)驗證，從而(er)將適用(yong)場(chang)景從高貨(huo)值(zhi)商品(pin)拓寬至(zhi)集成(cheng)(cheng)電路領(ling)域。本(ben)項(xiang)工作從分形理論的(de)(de)物理學原理出發(fa)(fa)(fa)，與材料和計(ji)算機領(ling)域多學科交(jiao)叉，完(wan)成(cheng)(cheng)從理論設(she)計(ji)、材料制備、算法開發(fa)(fa)(fa)到場(chang)景應(ying)(ying)用(yong)的(de)(de)全鏈(lian)條(tiao)研(yan)發(fa)(fa)(fa)，所(suo)得PUF系統(tong)具有產品(pin)轉(zhuan)化應(ying)(ying)用(yong)潛力，可為(wei)下一(yi)代(dai)PUF防偽(wei)技術(shu)的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展和普及助力。本(ben)項(xiang)工作的(de)(de)相關(guan)技術(shu)已申請中國發(fa)(fa)(fa)明(ming)專利并授權(quan)(ZL202210476096.3)。
該研究工作(zuo)得到了(le)國(guo)家(jia)自(zi)然科學基金面上(shang)項目、北(bei)京市自(zi)然科學基金面上(shang)項目和北(bei)航雙一流(liu)建(jian)設(she)經費等(deng)的支(zhi)持。
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//doi.org/10.1038/s41467-023-37588-5.Nat. Commun. 14, 2185 (2023).
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