晶體管的獨特「指紋」是否可用於身份識別？

金屬氧化物半導體場效應晶體管示意圖。

晶體管的單電子效應可在安全領域找到用武之地。

我們可以把電流想像成流過電子設備的平滑、均勻電子流。在量子尺度上，電流更像是一條包含許多微小波紋的潺潺小溪。波紋可能是由單電子效應引起的。單電子效應是因電子之間的排斥作用而產生的。這種排斥作用通常被限制在非常狹小的空間內，例如晶體管中的「阱點」（trap sites）。單電子效應可導致電子器件的電流、電壓等特性產生微小變化。由於阱點大多是製造過程中產生的無法控制的、隨機分布的微觀缺陷，每個晶體管的阱點數量、位置和能級都不相同。因此，單電子效應對電流、電壓特性的影響，會賦予每個晶體管獨特的「指紋」。

phys.org網站7月29日報道，日本東芝公司的物理學家T Tanamoto、Y Nishi和日本理化研究所（RIKEN）的研究人員K Ono等認為，晶體管的獨特指紋特性有望被用作廉價的身份識別標誌，以保護用戶的個人信息，並為物聯網（IOT）這一新興互聯設備網路提供技術支持。Tanamoto等在《應用物理學快報》雜誌發文闡述了單電子效應在影響識別演算法和計算機晶元識別與安全方面的應用可能性。Tanamoto在接受phys.org採訪時表示：「到目前位置，單電子器件還沒有被廣泛應用。我們的研究打開了利用單電子效應的另一思路：在安全問題日益嚴重的時代，將其用作安全裝置。」

正如物理學家們所言，電子設備的指紋可被認為是一種物理上不可複製的函數（PUF）。與人類指紋類似，PUF是基於獨特的、自然發生的物理變化，不能被傳輸到其他設備上。此外，即便PUF會因為老化作用出現一些退化，但它在設備的整個壽命周期中都會保留其關鍵特性。在研究過程中，Tanamoto等應用圖像匹配演算法來識別不同的電流-電壓特性。他們稱其為「庫倫金剛石」（下文簡稱CLD）。隨著阱點數量的增加，CLD圖像會變得更加複雜。人類的指紋會隨著環境（潮濕、乾燥或油性）的不同而變化，在不同的條件下測得的CLD圖像也會有所不同。儘管存在這樣的差異，但Tanamoto等證實，應用特徵檢測和圖像匹配演算法可以成功提取關鍵特徵（邊和角），進而區分不同的CLD圖像。這種方法的顯著優勢在於，即便計算機晶元包含的晶體管數量超過10億個，但只需要一個晶體管的信息就能為整個晶元生成唯一指紋。但從另一方面來看，該方法仍然面臨著很大的挑戰。其中最主要的就是CLD的測試溫度太低（僅略高於絕對零度）。雖然此前的研究表明在室溫下測量單電子效應是可行的，但涉及的工藝成本又太高。

下一階段，物理學家們計劃繼續探索其他形式的指紋晶體管——測量阱點中電子的自旋量子位行為。此外，研究人員還希望研究如何在量子計算機中應用晶體管指紋安全措施。Tanamoto說：「量子計算機是目前最熱門的話題之一。我們希望將量子PUF系統整合到量子計算機的安全系統中，進一步提高其安全性。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：阿淼

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