一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置，所述方法从MRAM芯片中任意选择一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元，依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图，利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。本发明专利技术的装置包括初始化模块、参考位元选择模块、比较模块和PUF生成模块。本发明专利技术的方法及装置，生成的PUF函数的数量和复杂程度与芯片的容量成正比。

【技术实现步骤摘要】
一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置
本专利技术涉及集成电路设计
，尤其涉及一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置。
技术介绍
物理不可克隆函数(PUF)是一种应用在计算机芯片安全领域的先进技术，利用每一个芯片本征的物理独特性为其生成专属的识别标识。通常PUF可以利用芯片在材料级别的独特性生成芯片的专属标识。在芯片制造过程中，由于工艺的波动，在每一个芯片中将不可避免地引入不同类型的偏差，理论上这些偏差是随机分布的，而且每一个芯片的偏差分布都是不可控的，因此很难找到两个细节上完全相同的芯片。对芯片实施一个针对其偏差的激励，芯片会产生一个响应，由于芯片物理偏差的随机性，芯片对激励的响应也将具有随机性和不可预测性。因此，利用芯片偏差的独特性和不可复制性，可以生产芯片专属的PUF响应。MRAM是一种非易失随机存取存储器，与传统的存储器不同，MRAM利用材料的磁电阻效应来实现数据的存储，其核心存储位元是磁隧道结(MTJ)。图1是典型的MRAM存储位元结构，MTJ主要由钉扎层110，绝缘势垒层120和自由层130组成。钉扎层110也称为参考层，它的磁矩方向保持不变，仅改变自由层130的磁矩方向使之与钉扎层110同向或反向。MTJ依靠量子隧穿效应使电子通过绝缘势垒层120，极化电子的隧穿概率和钉扎层110与自由层130的相对取向有关。当钉扎层110与自由层130磁化方向相同时，电子的隧穿概率较高，此时MTJ表现为低电阻状态(Rp)；而当钉扎层110与自由层130磁化方向相反时，电子的隧穿概率较低，此时MTJ表现为高电阻状态(Rap)。MRAM分别利用MTJ的Rp和Rap状态来表示逻辑状态“1”和“0”，从而实现数据存储。在MRAM制造过程中，很难保证每一个MTJ位元完全相同。MTJ结构的电阻除了与自由层和钉扎层的相对取向有关外，还受到MRAM制造过程中的工艺偏差的影响，包括薄膜厚度，位元大小，薄膜均一性及界面结构等的偏差都会导致MTJ位元电阻的波动。由制造工艺引起的偏差导致MTJ位元电阻并不是一个确定值，而是具有一定的分布。由于工艺偏差本身的随机性和不可预测性，MTJ电阻的分布也呈现随机性。如图2所示，通常认为Rp和Rap呈高斯分布。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置，选取任意一个磁性隧道结位元作为参考位元，与存储阵列中的其他磁性隧道结位元比较相同状态下的电阻大小，并将每一个比较结果标记为0或1，由于每一个磁性隧道结的电阻偏差随机分布，所以用此方法可以得到一组随机数，且该随机数可以作为物理不可克隆函数，用作芯片的PUF响应。为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，所述方法包括：将MRAM芯片初始化为低阻态或高阻态；从MRAM芯片中选择任意一个MTJ位元作为参考位元；依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。进一步地，所述MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，还包括：从MRAM芯片中选取另一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数。进一步地，所述依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图，包括：从MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元中选择一个磁性隧道结MTJ位元作为待比较的磁性隧道结MTJ位元；打开与参考位元磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，以及与待比较的磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，将参考位元磁性隧道结MTJ位元和待比较的磁性隧道结MTJ位元连接到灵敏放大器的两个输入端；根据灵敏放大器的输出生成待比较的磁性隧道结MTJ位元对应的逻辑状态；依次遍历MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元，生成逻辑状态图。本专利技术所述物理不可克隆函数的激励为参考位元地址，所述物理不可克隆函数的响应为与该参考位元对应的逻辑状态图。进一步地，所述逻辑状态图包括每一个磁性隧道结MTJ位元的地址。本专利技术还提出了一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成装置，所述装置包括：初始化模块，用于将MRAM芯片初始化为低阻态或高阻态；参考位元选择模块，用于从MRAM芯片中选择任意一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；比较模块，用于依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；PUF生成模块，用于利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。进一步地，所述参考位元选择模块，还用于从MRAM芯片中选取另一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；则：比较模块，还用于依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；PUF生成模块，还用于利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数。进一步地，所述比较模块将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图时，执行如下操作：从MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元中选择一个磁性隧道结MTJ位元作为待比较的磁性隧道结MTJ位元；打开与参考位元磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，以及与待比较的磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，将参考位元磁性隧道结MTJ位元和待比较的磁性隧道结MTJ位元连接到灵敏放大器的两个输入端；根据灵敏放大器的输出生成待比较的磁性隧道结MTJ位元对应的逻辑状态；依次遍历MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元，生成逻辑状态图。本专利技术提出的一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法及装置，选取任意一个磁性隧道结位元作为参考位元，与存储阵列中的其他磁性隧道结位元比较相同状态下的电阻大小，根据比较结果产生一组随机数作为芯片的PUF响应。当变换不同的磁性隧道结作为参考位元时，可以用来为一个芯片生成多组完全独立的随机数，用于生产芯片专属的PUF响应。本专利技术的方法及装置生成的PUF函数的数量和复杂程度与芯片的容量成正比。附图说明图1为磁性隧道结MTJ的结构示意图；图2为磁性隧道结MTJ电阻的分布图；图3为本专利技术MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法流程图；图4为本专利技术电阻对比原理图；图5a、图5b为本专利技术一种实施例逻辑状态图；图6a、图6b为本专利技术另一种实施例逻辑状态图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本专利技术的限定。如图1所示，磁性隧道结MTJ包括钉扎层110，绝缘势垒层120和自由层130。其中钉扎层110，又称参考层，保持磁化方向固定，仅改变自由层130的磁化方向使之与钉扎层110磁化方向平行或反平行。当自由层130与钉扎层110磁化方向同向时，MTJ为低阻态，当两者磁化方向反向时，MTJ为高阻态。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述方法包括：将MRAM芯片初始化为低阻态或高阻态；从MRAM芯片中选择任意一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。

【技术特征摘要】
1.一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述方法包括：将MRAM芯片初始化为低阻态或高阻态；从MRAM芯片中选择任意一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数PUF。2.如权利要求1所述的MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，还包括：从MRAM芯片中选取另一个磁性隧道结MTJ位元作为参考位元；依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图；利用所述逻辑状态图生成MRAM芯片的物理不可克隆函数。3.如权利要求1或2所述的MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述依次将MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元的电阻与参考位元的电阻进行比较，记录比较结果，生成逻辑状态图，包括：从MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元中选择一个磁性隧道结MTJ位元作为待比较的磁性隧道结MTJ位元；打开与参考位元磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，以及与待比较的磁性隧道结MTJ位元连接的MOS开关管，将磁性隧道结MTJ位元和待比较的磁性隧道结MTJ位元连接到灵敏放大器的两个输入端；根据灵敏放大器的输出生成待比较的磁性隧道结MTJ位元对应的逻辑状态；依次遍历MRAM芯片中预设数量的其他磁性隧道结MTJ位元，生成逻辑状态图。4.如权利要求1所述的MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述物理不可克隆函数的激励为参考位元地址，所述物理不可克隆函数的响应为与该参考位元对应的逻辑状态图。5.如权利要求4所述的MRAM芯片的物理不可克隆函数生成方法，其特征在于，所述逻辑状态图包括每一个磁性隧道结MTJ位元的地址。6.一种MRAM芯片的物理不可克隆函数生成装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：简红，蒋信，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33