在過去的60年里，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)蓬勃發(fā)展，成為了一個(gè)價(jià)值5000億美元的全球市場(chǎng)。然而，這個(gè)行業(yè)正面臨著兩大挑戰(zhàn)：新芯片的嚴(yán)重短缺和假冒芯片的激增。這兩個(gè)問題不僅帶來了巨大的故障風(fēng)險(xiǎn)，還導(dǎo)致了不必要的監(jiān)控負(fù)擔(dān)。特別是假冒芯片的泛濫，無意中催生了一個(gè)價(jià)值750億美元的假冒芯片市場(chǎng)，嚴(yán)重威脅到了航空、通信、量子計(jì)算、人工智能和個(gè)人金融等多個(gè)依賴半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)域的安全和安保。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員已經(jīng)推出了幾種旨在確認(rèn)半導(dǎo)體真實(shí)性的技術(shù)，主要用于檢測(cè)假冒芯片。這些技術(shù)主要利用芯片的功能或封裝中的物理安全標(biāo)簽。其中，物理不可克隆功能（PUF）是許多方法的核心。PUF是一種獨(dú)特的物理系統(tǒng)，由于其經(jīng)濟(jì)限制或固有的物理特性而難以復(fù)制。

圖片:AP_6_5_056002_f001.png

PUF取樣過程：使用隨機(jī)定位的金納米顆粒的距離矩陣的PUF篡改檢測(cè)方法的概述。

PUFs的安全性并非基于密碼學(xué)的硬度，而是強(qiáng)調(diào)復(fù)制特定系統(tǒng)物理特性所面臨的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)挑戰(zhàn)。在這一領(lǐng)域，光學(xué)PUF因其利用隨機(jī)介質(zhì)的獨(dú)特光學(xué)響應(yīng)而具有廣闊的發(fā)展前景。光學(xué)PUF易于制造和快速測(cè)量，是概念驗(yàn)證篡改識(shí)別實(shí)驗(yàn)的理想選擇。特別是納米級(jí)金屬光學(xué)系統(tǒng)，因其在光波長(zhǎng)處的強(qiáng)烈散射響應(yīng)而備受青睞，這提高了篡改后測(cè)量的穩(wěn)健性。然而，要實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性并準(zhǔn)確區(qū)分對(duì)抗性篡改和自然降解（如高溫下的物理老化、包裝磨損和濕度影響）仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

普渡大學(xué)的研究人員從深度學(xué)習(xí)模型的功能中汲取了靈感，為這一難題提供了新的解決方案。據(jù)《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）雜志報(bào)道，他們提出了一種用于半導(dǎo)體器件的光學(xué)防偽檢測(cè)方法。這種方法對(duì)惡意包裝磨損、熱處理受損和惡意撕裂等對(duì)抗性篡改特征具有很強(qiáng)的魯棒性。他們引入了一種被稱為“基于殘留注意力的篡改光學(xué)響應(yīng)處理”（RAPTOR）的新型深度學(xué)習(xí)方法。這種判別器通過分析芯片上嵌入的金納米粒子圖案來識(shí)別篡改。

在研究過程中，研究小組首先通過增強(qiáng)暗視野顯微鏡的原始圖像，建立了一個(gè)包含10000張隨機(jī)分布的金納米粒子圖像的數(shù)據(jù)集。接著，他們將納米粒子圖案像素區(qū)域聚類為局部粒子圖案，并提取出它們的質(zhì)量中心。最后，通過評(píng)估這些納米粒子圖案之間的所有成對(duì)距離，生成了距離矩陣PUF。為了測(cè)試這種防偽方法的性能，研究小組模擬了納米粒子PUF的篡改行為，既考慮了自然變化也考慮了惡意對(duì)抗篡改。RAPTOR利用注意力機(jī)制優(yōu)先處理篡改前和篡改后樣本中的納米粒子相關(guān)性，然后將其輸入基于注意力的殘差深度卷積分類器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示RAPTOR的準(zhǔn)確率非常高，在最壞的篡改情況下97.6%的距離矩陣都能正確檢測(cè)到篡改這比以前的方法（如Hausdorff、Procrustes、平均Hausdorff距離）分別高出了40.6%、37.3%和6.4%。

這項(xiàng)研究將注意力機(jī)制應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)輔助PUF驗(yàn)證，在困難的真實(shí)世界篡改模式下實(shí)現(xiàn)了較高的驗(yàn)證精度。這為基于深度學(xué)習(xí)的防偽方法在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用帶來了巨大機(jī)遇，有望有效打擊假冒芯片問題保障半導(dǎo)體行業(yè)的健康發(fā)展和各領(lǐng)域的安全與安保。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1117/1.AP.6.5.056002