质子相关的物理不可克隆硬件加密与储层计算

《Applied Materials Today》：Proton associated physical unclonable hardware encryption and reservoir computing

　　

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  双栅神经形态晶体管展示了异构突触动态。
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  展示了约 303% 的配对脉冲增强指数。
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  建立了一种基于质子的物理不可克隆硬件系统，模拟了虎符启发的图像加密机制。
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  构建了一个物理储层计算系统。

引言

随着物联网（IoT）、人工智能（AI）和大数据技术的深度集成，全球数据量正在呈指数级增长 [1], [2], [3]。然而，传统的冯·诺依曼架构面临着存储与计算单元分离导致的日益严重的能效瓶颈和延迟问题，这产生了开发新高能效计算范式的迫切需求 [4], [5]。脑启发计算模仿生物神经系统的并行和事件驱动操作，提供了一种有前景的替代方案，具有能效和容错方面的内在优势，使其成为超越传统电子极限的可行路线 [6], [7]。作为脑启发计算的硬件基础，神经形态器件旨在模拟生物突触和神经元的功能，从而实现能量高效计算网络 [8], [9], [10], [11]。此外，机械柔韧性确保了在物理变形下的稳定运行，使得柔性神经形态器件非常适合便携式和分布式物联网边缘设备 [12], [13], [14]。在这种数据密集的边缘场景中，对硬件根源的信任机制和节能的本地数据处理有着至关重要的需求。因此，柔性神经形态晶体管可以作为理想的硬件平台，同时解决现代信息网络中的计算和安全挑战 [15], [16]。

数字图像和视频作为信息交换的主要媒介迅速普及，加剧了对安全传输和存储解决方案的需求 [17], [18]。传统普遍部署的软件加密依赖于静态算法框架，越来越容易受到量子计算和侧信道攻击等新兴威胁的影响 [19], [20]。物理不可克隆函数（PUFs）作为一种利用硬件固有随机性的密码学原语，在加密和身份认证中发挥着关键作用 [21]。PUF 的核心原理在于利用硬件制造过程中不可避免的微观变化来创建独特的物理指纹 [22], [23]。在加密过程中，PUF 可以将这些物理变化转换为动态加密密钥，而无需预先存储，从而从根本上消除密钥泄露的风险。在解密期间，接收者施加相同的物理刺激以从 PUF 生成匹配的密钥，同时通过多维物理参数认证验证解密实体的合法性。物理不可克隆性和动态密钥生成的结合理论上提供了更高水平的安全性，使系统天生能够抵御以密钥为中心的攻击向量。尽管如此，大多数现有的硬件加密系统受限于刚性基板，限制了其与柔性及可穿戴电子设备的兼容性 [24], [25]。这一缺陷凸显了需要一种内在利用动态物理响应的硬件范式。

此外，储层计算（RC）在包括图像识别 [26], [27]、语音处理 [28], [29], [30] 和混沌系统预测 [31], [32] 等应用中受到了广泛关注。其吸引力在于能够以低训练复杂度将时间信号映射到高维特征空间 [33], [34]。在 RC 架构中，仅输出层权重需要训练，显著降低了计算开销和能耗。RC 的物理实现主要包括四个阶段，即输入信号预处理、非线性映射到高维特征空间、储层动态测量和输出信号后处理。重要的是，任何表现出非线性动态和短期记忆特性的物理系统都可以作为储层 [35], [36]。迄今为止，各种物理系统已被探索作为潜在的储层计算（RC）平台，包括 InSe/Al?O?/Pb(Zr?.?Ti?.?)O?(PZT) 动态忆阻器 [26]、易失性铁电二极管（FDs）[37]、光子电路 [38]、自旋振荡器 [39]、纳米线网络 [40]、纳米多孔膜 [41] 和光电晶体管 [42]。此外，开发柔性神经形态硬件，协同整合软力学、动态安全机制和嵌入式信息处理，代表了一个关键的前进步伐。这样的系统有望克服刚性电子学的生物相容性和集成限制，同时为完全集成的“感知 - 加密 - 计算”架构铺平道路。这对脑启发计算的部署至关重要。

为了应对这些挑战，提出了一种基于柔性聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）混合电解质栅氧化物晶体管（FPCH-EGT）双栅配置的质子关联硬件系统。器件级的异构突触动态最终形成了一个集传感、加密和计算于一体的柔性神经形态硬件平台，如图 1 所示。受生物轴突 - 多突触结构的启发，具有异构突触动态的双栅氧化物神经形态晶体管实现了物理不可克隆图像加密，模拟了虎符启发的图像加密机制。此外，内在的非线性动态和短期记忆被利用来构建物理 RC 系统，实现了约 90% 的准确率的手写指纹识别和输入噪声容限。这项工作展示了柔性电解质栅晶体管在加密和神经形态计算硬件平台中的潜力。

章节摘要

FPCH-EGT 的制备

IZO FPCH-EGT 通过自下而上的工艺制备，详细的制备步骤如图 S1 所示。首先，通过将 2 克 PVA 颗粒在 18 毫升去离子水中于 100 °C 下连续搅拌 2 小时溶解，制备了 10 wt% 的聚乙烯醇（PVA）溶液。还通过将 0.625 克 CS 粉末和 0.625 克醋酸依次加入 30 毫升去离子水中，随后密封并在室温下静置 24 小时，获得了 2 wt% 的壳聚糖（CS）溶液。两个

用于仿生动态突触功能的 FPCH-EGT

首先，通过半自动四探针测量评估了溅射 ITO 底栅的电学均匀性。如图 2(a) 所示，1 cm × 1 cm 区域内方块电阻的空间映射显示出以约 130.6 Ω/sq 为中心的窄分布，证实了可靠栅调制所需的优异导电性和宏观均匀性。图 2(b) 中的截面 SEM 图像揭示了 PVA/CS 混合

结论

总之，基于双栅配置的柔性聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）混合电解质栅铟锌氧化物晶体管（IZO FPCH-EGT），提出了一种柔性质子关联物理不可克隆硬件系统。凭借强大的界面质子/电子耦合，它在多种弯曲条件下展示了稳定的突触性能。它还具有约 303% 的高配对脉冲增强指数。器件级的异构突触动态

CRediT 作者贡献声明

李波波：调查。 周思源：软件，调查。 王伟胜：写作 - 初稿，软件，调查，形式分析，数据整理，概念化。 吴林峰：调查。 张万林：调查。 胡宇凡：调查。 朱立强：写作 - 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。 萧辉：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢 中国国家自然科学基金（U22A2075, 51972316）和 宁波市重点科技项目（2021Z116）的支持。

王伟胜 | 周思源 | 李波波 | 张万林 | 吴林峰 | 胡宇凡 | 萧辉 | 朱立强