垂直存储器与光敏晶体管的单片3D集成技术：应用于近传感器密码学与同态数据搜索

《Advanced Materials》：Monolithic 3D Integration of Vertical Memory with Phototransistor for Near-Sensor Cryptography and Homomorphic Data Searching

视网膜启发系统通过整合传感、存储与计算实现近端高效处理，但面临安全挑战。本文提出基于3D堆叠结构的紧凑架构，集成量子点敏化光电晶体管与高密度VRRAM，利用多域熵源生成具有高设备间变异性的物理不可克隆函数（PUF）密钥，结合多层加密增强安全性。同时，IGZO晶体管实现的3D三元内容寻址存储器（TCAM）阵列在灵敏度（1.58×10^5）、面积效率（9.61×）和能量延迟积（6.25×）上显著优于平面设计，并支持加密数据上的近端哈希和汉明距离计算，应用特定同态加密相似性达94.1%，明文与加密数据分类准确率相当。

　　

摘要

受人类视网膜的启发，类视网膜系统通过紧密集成感知、存储和计算功能，实现了高效的近传感器处理。然而，与没有数据保密性选择压力的生物视觉不同，人工边缘系统面临着关键的安全需求。因此，下一代硬件必须超越生物模仿，将生物启发式的效率与加密能力结合起来。本文提出了一种紧凑的多功能晶圆级单片3D（M3D）架构，用于对光学获取的视觉数据进行安全的内存处理。通过将量子点敏化的光敏晶体管与堆叠的高密度垂直阻变随机存取存储器（VRRAM）集成，可以提供多域熵源，生成具有约50%设备间变异性的物理不可克隆函数（PUF）密钥。使用功能独立的PUF密钥进行多层加密，通过密钥多样性增强了加密的韧性。同时，采用宽禁带IGZO晶体管实现的M3D三态内容可寻址存储器（TCAM）阵列，具有高达约1.58×10⁵的感知裕度，以及比平面设计高出9.61倍的面积效率和6.25倍的能量-延迟乘积。值得注意的是，M3D传感系统和TCAM系统支持在加密数据上直接进行近传感器哈希运算和内存汉明距离计算，实现了94.1%的相似性保持率的应用特定同态性。明文和加密哈希输入的相似分类精度进一步凸显了M3D集成平台在边缘进行安全、保护隐私的机器视觉方面的潜力。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。