CMOS（互补金属氧化物半导体）技术作为当今电子领域应用最广泛、最基础的芯片制造工艺，几乎渗透到了所有现代电子设备之中。从智能手机、电视、电脑，到卫星、汽车、医疗仪器，乃至物联网设备和可穿戴装置，CMOS芯片都扮演着核心角色。

正如人类指纹具有唯一性，每一颗CMOS芯片在微观制造过程中都存在无法避免的差异，形成几乎无法复制的独特"纹路"。这种随机且不可复制的物理特征被称为物理不可克隆函数（PUF）。理论上，PUF可作为芯片的硬件身份凭证，用于身份认证与数据加密，相较于软件密钥更难以伪造。

但现有PUF方案存在明显瓶颈：为完成认证，必须将芯片纹路信息提取并存储在第三方服务器。这种模式存在天然短板：云端数据库一旦被攻破，密钥即面临窃取风险；同时，密钥存储与频繁校验会占用额外存储与算力，对电池容量有限、算力紧张的微型设备极不友好。

为了突破这一限制，麻省理工学院（MIT）的科学家们开发了一种创新制造方法，在工厂硅晶圆切割前，就故意设计让相邻的两块芯片共享同一个独特的"纹路"。就像将一张纸随机撕成两半，两半纸的撕裂边缘完全匹配、独一无二，谁也无法仿造，但这两半只有合在一起才能完美拼接。也就是说，让两个芯片互相对暗号。

这项研究的共同通讯作者Ruonan Han目前是MIT电子工程与计算机科学系教授，微系统技术实验室副主任、集成电路与系统中心主任。他本科就读于复旦大学，研究专长是太赫兹集成电路与系统，桥接微波到红外领域，并领导太赫兹集成电子组。这项工作正是他及团队在硬件安全与太赫兹/低功耗电路交叉的创新尝试。

具体实现路径极具工程巧思。

首先，在芯片还没从硅晶圆上切割下来时，研究人员故意在两块相邻芯片的边界处，设计了一组共用的电子元件（晶体管）。

随后，用一种叫"栅氧击穿"（gate oxide breakdown）的技术，利用低成本的LED灯光照射。就像是给这两块芯片的连接处通电，直到它们发生微小的、不可预测的损坏。因为制造误差，每个点损坏的程度和时间都是随机的，这就形成了独一无二的"纹路"。但因为它们在切割前是连在一起的，所以这两块芯片在边界处拥有完全对称、匹配的"纹路"。最后完成纹路生成后沿中间切割，两颗独立芯片便各携带一半匹配密钥，出厂即配对。它们谁也没有存对方的密码，但仅彼此能配对互认。

"在我们的案例中，晶体管击穿在我们的许多模拟中并没有得到很好的建模，因此对于该过程将如何运作存在很多不确定性。理清所有的步骤以及它们需要发生的顺序，以产生这种共享的随机性，是这项工作的创新之处。"这项研究的第一作者Eunseok Lee表示。

测试结果显示，团队制备的孪生PUF芯片配对一致性超98%，可稳定完成安全认证，同时兼容标准CMOS工艺，无需特殊材料与设备，具备大规模量产潜力。

Eunseok Lee强调，这项技术必须在芯片出厂前完成，一旦进入供应链，安全可控性将大幅下降。

图 | 中间为第一作者Eunseok Lee（来源：LinkedIn）

对比传统云端认证与普通PUF方案，这种方案具备明显优势。

首先，所有秘密信息仅存在于芯片内部，不提取、不存储、不上传，从根源上消除云端泄露、中间人攻击风险。用Eunseok Lee的话来说，这种方法最大的优势在于无需存储任何信息，所有秘密信息始终安全地保存在硅芯片内部。只要拥有这把数字密钥，就能随时解锁。

其次，认证过程无需联网、无需后台校验，特别适合成对使用、不可替换、严格限能的系统，例如用于监测胃肠道健康状况的可吞服式传感器药丸及其配套的可穿戴贴片。以前药丸和贴片通信，可能需要复杂的加密协议，非常耗电；现在可以直接比对特有的纹路信息，药丸和贴片无需中间设备即可相互验证身份，既保护患者隐私，又能延长设备工作时间。

最后，仅用标准工艺与低成本LED，无需改性材料、特殊设备或复杂后处理，代工厂可快速接入，显著降低安全芯片成本。

MIT教授、共同通讯作者Anantha Chandrakasan指出："边缘设备（如人体医疗传感器）对物理层安全的需求日益增长，且通常面临严苛的能源限制。这种方法实现了节点间的安全通信，兼顾了能源效率和强安全性。"

团队透露，当前共享随机特征会实时转为数字数据，下一代方案将直接把共享特征保留在晶体管内部，在芯片最底层物理级强化安全，进一步提升防破解能力。

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