Twin physically unclonable functions based on aligned carbon nanotube arrays

• DOI: 10.1038/s41928-022-00787-x
• Publication Date: 2022-07-04T16:03:30Z
• Authors: Donglai Zhong; Jingxia Liu; Mengmeng Xiao; Yunong Xie; Huiwen Shi; Lijun Liu; Chenyi Zhao; Li Ding; Lian-Mao Peng; Zhiyong Zhang
• Keywords: 0301 basic medicine; Memristive Devices for Neuromorphic Computing; Carbon nanotube; Cellular and Molecular Neuroscience; 03 medical and health sciences; Hardware Security and Authentication Techniques; Engineering; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; FOS: Mathematics; Nanotechnology; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Topology (electrical circuits); FOS: Nanotechnology; PUF-Based Authentication; Transistor; Statistics; Life Sciences; Voltage; Neural Interface Technology; Computer science; Materials science; Algorithm; Hardware and Architecture; Electrical engineering; Computer Science; Physical Sciences; Physical Unclonable Functions; Physical unclonable function; Cryptography; Randomness; Mathematics; Neuroscience

Les fonctions physiquement non clonables (PUF) sont une technologie prometteuse pour générer des primitives cryptographiques en utilisant des imperfections aléatoires dans une entité physique. Cependant, les clés à l'intérieur des PUF sont toujours vulnérables car elles doivent être écrites dans des mémoires non volatiles et partagées avec les participants qui ne détiennent pas le PUF avant la communication sécurisée. Ici, nous montrons que des paires de PUF identiques (PUF jumeaux) peuvent être fabriquées ensemble sur un réseau de nanotubes de carbone alignés et utilisées pour une communication sécurisée sans pré-extraction et stockage de clé. Deux rangées de transistors à effet de champ sont fabriquées perpendiculairement à la direction de croissance des nanotubes de carbone, produisant de manière aléatoire trois types de canaux de transistors basés sur des nanotubes métalliques, des nanotubes semi-conducteurs et pas de nanotubes - qui peuvent être utilisés pour extraire des bits ternaires pour une utilisation en tant que clé partagée. Les PUF jumeaux présentent une uniformité, un caractère unique, un caractère aléatoire et une fiabilité élevés, ainsi qu'une consistance d'environ 95 %. Nous montrons que les PUF jumeaux séparés peuvent fournir une communication sécurisée avec un taux d'erreur binaire d'un bit par billion via une conception tolérante aux pannes. Une paire de rangées de transistors à effet de champ fabriqués perpendiculairement à la direction de croissance sur un réseau de nanotubes de carbone alignés peut créer des fonctions jumelées physiquement non clonables pour une utilisation dans une communication sécurisée.<br/>الوظائف غير القابلة للاستنساخ ماديًا (PUFs) هي تقنية واعدة لتوليد بدايات التشفير باستخدام عيوب عشوائية في كيان مادي. ومع ذلك، لا تزال المفاتيح الموجودة داخل PUFs ضعيفة حيث يجب كتابتها في ذكريات غير متطايرة ومشاركتها مع المشاركين الذين لا يحملون PUF قبل الاتصال الآمن. نوضح هنا أنه يمكن تصنيع أزواج من PUFs المتطابقة (PUFs التوأم) معًا على مصفوفة أنابيب نانوية كربونية محاذية واستخدامها للاتصال الآمن دون الحاجة إلى الاستخراج والتخزين المسبق للمفتاح. يتم تصنيع صفين من الترانزستورات ذات التأثير الميداني بشكل عمودي على اتجاه نمو الأنابيب النانوية الكربونية، مما ينتج بشكل عشوائي ثلاثة أنواع من قنوات الترانزستور القائمة على الأنابيب النانوية المعدنية والأنابيب النانوية شبه الموصلة وعدم وجود أنابيب نانوية - والتي يمكن استخدامها لاستخراج البتات الثلاثية لاستخدامها كمفتاح مشترك. تُظهر التوأم PUFs اتساقًا وتفردًا وعشوائية وموثوقية عالية، بالإضافة إلى اتساق بنسبة 95 ٪ تقريبًا. نظهر أن PUFs التوأم المنفصل يمكن أن يوفر اتصالًا آمنًا بمعدل خطأ بت واحد لكل تريليون عبر تصميم متسامح مع الأخطاء. يمكن لصفين من الترانزستورات ذات التأثير الميداني المصنوعة عموديًا على اتجاه النمو على مصفوفة الأنابيب النانوية الكربونية المتحاذية أن تخلق وظائف مزدوجة غير قابلة للاستنساخ ماديًا لاستخدامها في الاتصال الآمن.<br/>Physically unclonable functions (PUFs) are a promising technology for generating cryptographic primitives using random imperfections in a physical entity. However, the keys inside PUFs are still vulnerable as they must be written into non-volatile memories and shared with participants that do not hold the PUF before secure communication. Here we show that pairs of identical PUFs (twin PUFs) can be fabricated together on an aligned carbon nanotube array and used for secure communication without key pre-extraction and storage. Two rows of field-effect transistors are fabricated perpendicular to the carbon nanotube growth direction, randomly producing three types of transistor channel—based on metallic nanotubes, semiconducting nanotubes and no nanotubes—that can be used to extract ternary bits for use as a shared key. The twin PUFs exhibit high uniformity, uniqueness, randomness and reliability, as well as a consistency of approximately 95%. We show that separated twin PUFs can provide secure communication with a bit error rate of one bit per trillion via a fault-tolerant design. A pair of rows of field-effect transistors fabricated perpendicular to the growth direction on an aligned carbon nanotube array can create twinned physically unclonable functions for use in secure communication.<br/>Las funciones físicamente no clonables (puf) son una tecnología prometedora para generar primitivas criptográficas utilizando imperfecciones aleatorias en una entidad física. Sin embargo, las claves dentro de las puf siguen siendo vulnerables, ya que deben escribirse en memorias no volátiles y compartirse con los participantes que no tienen la puf antes de la comunicación segura. Aquí mostramos que los pares de puf idénticos (puf gemelos) se pueden fabricar juntos en una matriz de nanotubos de carbono alineados y se pueden utilizar para una comunicación segura sin la extracción y el almacenamiento previos clave. Se fabrican dos filas de transistores de efecto de campo perpendiculares a la dirección de crecimiento de los nanotubos de carbono, produciendo aleatoriamente tres tipos de canales de transistores, basados en nanotubos metálicos, nanotubos semiconductores y sin nanotubos, que se pueden utilizar para extraer bits ternarios para su uso como clave compartida. Las puf gemelas muestran una alta uniformidad, singularidad, aleatoriedad y fiabilidad, así como una consistencia de aproximadamente el 95%. Mostramos que las puf gemelas separadas pueden proporcionar una comunicación segura con una tasa de error de bits de un bit por billón a través de un diseño tolerante a fallos. Un par de filas de transistores de efecto de campo fabricados perpendiculares a la dirección de crecimiento en una matriz de nanotubos de carbono alineados pueden crear funciones gemelas físicamente no clonables para su uso en una comunicación segura.<br/>