2024年4月13日，浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室的杨德仁院士、皮孝东教授联合国家纳米科学中心的刘新风研究员及南京大学的徐骏教授等人，在《Nature Communications》杂志发表了题为《集成电路防伪用全硅多维编码的光学物理不可克隆函数》（All-silicon multidimensionally-encoded optical physical unclonable functions for integrated circuit anti-counterfeiting）的研究论文。论文第一作者为浙江大学博士研究生王坤，合作者还包括国家纳米科学中心的博士后史建伟（现为中国科学院半导体研究所助理研究员)、浙江大学的百人计划研究员倪朕伊、本科生赖文轩和硕士研究生何强。
在万物互联的人工智能时代，保障信息的安全尤为重要。由于集成电路是信息的主要载体，伪造的集成电路对信息安全构成了严重威胁。传统的技术如Rivest–Shamir–Adleman（RSA）加密虽然为集成电路提供了一定的安全保障，但在量子计算等新兴技术的冲击下，其安全性严重下降。
为此，研究团队开发了一种全硅多维编码的光学物理不可克隆函数（PUF），突破了传统PUF在与互补金属-氧化物-半导体（CMOS）工艺的兼容性和信息熵上的瓶颈。他们利用与CMOS工艺兼容的制备技术，获得了硅超表面和掺铒硅量子点的复合结构，进而实现了单像素内五种光学响应的输出，在信息熵上达到了2.32比特/像素的高水平。研究发现，位置依赖的辐射场和普塞尔效应显著提升了全硅多维编码的光学PUF光学响应的位置敏感性，使其具备抵抗机器学习破译的能力，极大地增强了集成电路防伪标签的安全性。
图1 全硅多维编码的光学PUF的秘钥生成过程（a）及硅量子点波长信号防伪特征（b-f）
研究团队还利用全硅多维编码的光学PUF实现了高效轻量级的互认证协议，进一步验证了其在基于集成电路的物联网设备的安全防护中应用的潜力，为人工智能时代的设备安全认证提供了新方案。
图2 基于全硅多维编码的光学PUF的互认证协议
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47479-y
