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Funzioni gemelle fisicamente non clonabili (PUF) basate su array di nanotubi di carbonio per migliorare la sicurezza delle comunicazioni

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Funzioni gemelle non clonabili fisicamente basate su array CNT allineati. a, Schema di PUF gemelli basati su array CNT cresciuti con CVD. Le lettere ‘m’ e ‘s’ rappresentano CNT metallici o semiconduttori, mentre la lettera ‘P’ rappresenta l’interspazio tra due CNT adiacenti. b, Schema di tre distinti tipi di dispositivi in ​​base al loro tipo di conduzione. La lettera “O” rappresenta il dispositivo con canale aperto e “S” e “M” rappresentano rispettivamente il canale dei dispositivi con semiconduttore o CNT metallico. c, immagine SEM dell’array CNT allineato. d, Immagine SEM in falsi colori che mostra un gruppo di 24 coppie di dispositivi PUF gemelli. e, Caratteristiche di trasferimento misurate dalle tre coppie di dispositivi in ​​(d). Credito: Zhong et al.

Poiché la quantità di dati archiviati nei dispositivi e condivisi su Internet aumenta continuamente, gli informatici di tutto il mondo stanno cercando di escogitare nuovi approcci per proteggere le comunicazioni e le informazioni sensibili. Alcuni degli approcci più consolidati e preziosi sono le tecniche crittografiche, che essenzialmente crittografano (cioè trasformano) dati e testi scambiati tra due o più parti, in modo che solo mittenti e destinatari possano visualizzarli nella sua forma originale.

Funzioni fisiche non clonabili (PUF), dispositivi che sfruttano le “imperfezioni casuali” introdotte inevitabilmente durante la produzione di dispositivi per conferire a entità fisiche “impronte digitali” uniche (ad esempio, trust anchor). Negli ultimi anni, questi dispositivi si sono rivelati particolarmente preziosi per la creazione di chiavi crittografiche, che vengono cancellate istantaneamente non appena vengono utilizzate.

I ricercatori dell’Università di Pechino e del Jihua Laboratory hanno recentemente introdotto un nuovo sistema per generare primitive crittografiche, costituito da due PUF identici basati su array di nanotubi di carbonio (CNT) allineati. Questo sistema, introdotto in un articolo pubblicato in Elettronica della naturapotrebbe aiutare a proteggere le comunicazioni in modo più affidabile, superando alcune delle vulnerabilità dei dispositivi PUF precedentemente proposti.

“La crittografia classica utilizza algoritmi e chiavi crittografiche per crittografare o decrittografare le informazioni e le strategie più popolari sono la crittografia Rivest, Shamir e Adleman (RSA)”, ha detto a TechXplore Zhiyong Zhang, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. “In un algoritmo asimmetrico, chiunque può accedere alla chiave pubblica, ma il cracking della chiave pubblica richiede la fattorizzazione di un numero molto grande, il che è estremamente difficile per un computer classico. Tuttavia, è stato dimostrato matematicamente che questo compito è realizzabile in polinomiale tempo usando un computer quantistico.”

Una delle strategie crittografiche più utilizzate oggi è la crittografia simmetrica, che condivide le stesse “chiavi segrete” per la crittografia e la decrittazione con tutti gli utenti che partecipano a una specifica conversazione. Queste strategie generalmente memorizzano le chiavi segrete in una memoria non volatile, che è vulnerabile agli attacchi informatici fisici e di canale laterale.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno quindi esplorato approcci crittografici alternativi, inclusa la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). I metodi QKD sfruttano concetti radicati nella teoria quantistica per proteggere le comunicazioni. In particolare, sfruttano i disturbi intrinseci che interessano i sistemi quantistici mentre vengono misurati.

QKD si è rivelato particolarmente efficace nel rilevare i tentativi di terzi di accedere alla chiave segreta che protegge le comunicazioni. Sebbene alcune strategie QKD abbiano ottenuto risultati notevoli, in genere richiedono hardware sofisticato e molto costoso.

“Per ottenere una comunicazione sicura basata su hardware e a basso costo, abbiamo introdotto una nuova tecnologia, due PUF (Pub)” ha affermato Zhang. “L’idea di base dietro i PUF è di utilizzare imperfezioni fisiche casuali esistenti in un’entità fisica causate dalle variazioni del processo di fabbricazione su piccola scala e queste imperfezioni non possono essere previste o clonate, nemmeno dal produttore originale”.

Grazie al loro design unico, i dispositivi PUF non sono clonabili e imprevedibili. Questo li rende incredibilmente efficaci nel generare chiavi segrete sicure per la crittografia.

Tuttavia, quando i PUF vengono utilizzati per proteggere le comunicazioni, le chiavi che producono devono essere scritte su memorie non volatili e condivise con altri partecipanti alla conversazione che non possiedono un dispositivo PUF. Queste chiavi memorizzate saranno quindi vulnerabili agli attacchi.

L’obiettivo chiave del recente lavoro di Zhang e dei suoi colleghi era superare questa limitazione dei dispositivi PUF per la sicurezza delle comunicazioni. Per fare ciò, invece di clonare un PUF esistente, hanno provato a creare due PUF identici (gemelli).

Funzioni gemelle fisicamente non clonabili (PUF) basate su array di nanotubi di carbonio per migliorare la sicurezza delle comunicazioni

Prestazioni di PUF gemelli CNT e dimostrazione di comunicazione sicura. a, Distribuzione del passo CNT e adattamento lognormale dei dati. b, Rapporti di tre tipi di dispositivi rispetto alla larghezza del canale dei dispositivi PUF. I quadrati e le linee rappresentano rispettivamente i dati sperimentali e di simulazione. c, chiavi ternarie generate da CNT PUF inclusi 1600 bit. I cerchi verde, rosso e blu rappresentano rispettivamente bit o dispositivi aperti (0,0), semiconduttori (1,0) e metallici (1,1). d, mappe bit binarie gemelle generate da PUF gemelle utilizzando bit binari doppi. I cerchi verdi e rossi pieni rappresentano rispettivamente il bit ‘1’ e il bit ‘0’. I cerchi neri vuoti rappresentano bit incoerenti o “sbagliati”. e, Schema di comunicazione sicura utilizzando un design a tolleranza di errore. f, BER rispetto al numero fault-tolerant con diverse consistenze. Credito: Zhong et al.

“Abbiamo fabbricato doppie funzioni fisicamente non clonabili (PUF) basate su array CNT allineati”, ha spiegato Zhang. “In primo luogo, abbiamo fatto crescere array CNT allineati su substrato di quarzo. Da un lato, indotti dall’interazione reticolo di quarzo-CNT, gli array CNT sono cresciuti lungo il [2 -1 -1 0] orientamento del cristallo per diverse centinaia di micron, che ha assicurato che le proprietà degli array CNT fossero identiche parallelamente alla direzione di crescita. D’altra parte, gli array CNT hanno caratteristiche casuali, come la chiralità e la posizione, perpendicolari alla direzione di crescita del CNT”.

Per creare il loro dispositivo, Zhang e i suoi colleghi hanno fabbricato due file di transistor a effetto di campo (FET) su array CNT. Hanno usato transistor con tre tipi di canale con diverse proprietà elettriche, vale a dire canali contenenti alcuni CNT metallici (M), CNT puramente semiconduttori (S) e nessun CNT (O).

“Poiché la posizione e il tipo di CNT nel canale sono determinati dalla nucleazione stocastica e dalla distribuzione casuale del catalizzatore, i FET sono stati fabbricati sugli array di CNT”, ha detto Zhang. “Nel frattempo, due file di FET fabbricate in parallelo sullo stesso array CNT mostrano i tipi O, S e M con lo stesso ordine, quindi due PUF identici (PUF gemelli) possono essere fabbricati insieme”.

Zhang e i suoi colleghi hanno inizialmente ideato un modello che avrebbe consentito loro di studiare la relazione tra i PUF e gli array CNT e le dimensioni del dispositivo. Questo modello ha permesso loro di ottimizzare la casualità e l’entropia dei loro PUF.

“Abbiamo scoperto che le altezze CNT (CP) soddisfano la distribuzione lognormale, che è stata verificata da altri campioni CNT che abbiamo coltivato con densità diverse e quelli pubblicati da altri gruppi”, ha detto Zhang.

Utilizzando simulazioni e il modello creato come riferimento, i ricercatori hanno ottimizzato il loro design e creato array CNT con un passo CNT di 0,65±0,58 μm e un rapporto CNT metallico/semiconduttore di circa 0,4. Hanno quindi utilizzato questi array per creare un prototipo dei loro PUF con bit ternari ideali.

“Abbiamo fabbricato un totale di 1600 FET con una larghezza del canale di 600 nm, per generare una mappa di bit ternaria 40 × 40, in cui sono stati contati rispettivamente 532, 516 e 552 bit O, S e M”, Zhang disse. “I nostri PUF hanno anche mostrato elevata casualità, uniformità, unicità, imprevedibilità e affidabilità”.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato con successo i loro PUF gemelli per ottenere una crittografia tollerante ai guasti. A causa delle imperfezioni associate alla crescita dei CNT, comprese le transizioni di chiralità, l’esistenza di tubi rotti tra le strisce del catalizzatore e il disallineamento, i PUF gemelli del team inizialmente hanno mostrato una consistenza non perfetta. Ciò significa che il processo di crittografia e decrittografia potrebbe introdurre bit errati, il che si traduce in un elevato tasso di errore di bit (BER).

“Per ridurre il BER, abbiamo progettato una crittografia a tolleranza d’errore in cui più bit di chiave (≥3, dispari) vengono utilizzati per crittografare un bit di testo normale in più bit di testo cifrato e i bit multipli di testo cifrato vengono decrittografati e quindi generano uno semplice testo attraverso un voto a maggioranza”, ha detto Zhang. “Il BER è stato ridotto in modo esponenziale, con un numero di tolleranza ai guasti per coerenza superiore all’80%. Nei nostri PUF gemelli con una consistenza del 95%, il BER può essere ridotto a uno su un trilione quando il numero di tolleranza ai guasti è fino a 29.”

In futuro, i dispositivi gemelli PUF creati da questo team di ricercatori potrebbero aiutare a proteggere le comunicazioni in modo più affidabile su larga scala. Nei loro prossimi studi, Zhang e i suoi colleghi vorrebbero migliorare ulteriormente i loro dispositivi, ad esempio ottimizzando i materiali utilizzati nel loro recente lavoro.

“Abbiamo in programma di migliorare la pulizia del substrato di quarzo e la stabilità del flusso d’aria durante la crescita del CNT, che può ridurre il verificarsi di tubi rotti e il cambiamento di chiralità”, ha aggiunto Zhang. “In questo documento abbiamo utilizzato un gate inferiore globale, ma ora abbiamo anche in programma di cambiarlo in una struttura di gate superiore per una tensione di funzionamento ridotta e una facile integrazione con altri circuiti. Infine, mentre finora abbiamo utilizzato una stazione sonda per testare la nostra unità PUF uno per uno, il prossimo passo sarà integrare i nostri PUF gemelli con circuiti periferici, che possono realizzare automaticamente la crittografia delle informazioni”.


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