모바일 장치와 IoT 기술의 확대로 안전한 통신에 대한 신뢰성 있는 암호화 기술 수요가 급증하며, 장치 간 통신의 증가로 인해 암호화 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 소프트웨어 기반의 보안 프로토콜이나 암호화 알고리즘은 물리적 공격에 상대적으로 취약하므로 하드웨어 기반의 본질적인 특성을 활용한 보안 알고리즘이 연구되고 있다. 물리적 복제 불가 함수 (PUF)는 반도체 공정 중에 발생하는 랜덤한 산포를 사용하며 예측할 수 없다는 장점이 있습니다. 다양한 차세대 비휘발성 메모리가 PUF의 후보로 연구되고 있으며 그 중에서도 커패시터 기반 장치는 충전 기반 벡터 행렬 곱셈(VMM) 작업을 수행하며 라인 저항이나 누설 전류에 영향을 받지 않으며 저전력 소비의 장점이 있습니다.
본 논문에서는 NAND 플래시 구조의 TiN/Al₂O₃/Si₃N₄/SiO₂ 충전 트래핑 레이어를 사용한 memcapacitor 크로스바 어레이를 기반으로 한 PUF 시스템을 제안한다. 전하량 기반 VMM 작업은 실험적으로 확인되었으며 이를 통한 챌린지-리스폰스 쌍(CRP) 생성 방법은 breadboard를 통해 검증하였다. CRP 측정을 통해 얻은 데이터를 사용하여 고유성과 확산성과 같은 PUF 신뢰성 지표를 확인하였다. 또한, LIBSVM, LIBLINEAR 및 Multilayer Perceptron (MLP)을 사용한 기계 학습 공격을 통해 PUF 시스템의 견고성을 평가하고 NIST 테스트를 통해 무작위성을 확인하였다. 더불어 3-D NAND 플래시 구조와 비슷한 구조르를 memcapacitor 크로스바 어레이를 사용한 두 가지 PUF CRP 생성 방법을 제안하였다. CRP의 수를 최대화하는 CRP 모드와 각 독립적인 PUF 칩으로 동작하는 Multi-chip 모드를 제안하였다. SPICE를 통해 16x16x16 3-D 구조에서의 VMM 작업을 각 모드별로 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 이 연구를 통해 저전력 소비 및 매우 많은 수의 CRP를 가진 신뢰성 있는 PUF 시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대한다.