科學家利用二硫化鉬芯片開啟光鎖技術，顛覆硬件安全新規則

一塊芯片，如何才能證明自己是"真品"？這個問題聽起來像哲學，卻是當下物聯網時代最迫切的工程難題之一。

來自松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所和湖南大學的聯合研究團隊，近期給出了一個頗具創意的答案：用光照射一片單層二硫化鉬薄膜，讓芯片自己"說出"一串獨一無二的密碼。

這項研究成果已發表于《自然-通訊》，核心器件是一種基于晶圓級單層二硫化鉬的光可重構環形振蕩器物理不可克隆函數，英文縮寫RO-PUF。

什么是PUF，為什么它如此重要

所謂物理不可克隆函數，本質上是一種利用芯片制造過程中不可避免的微觀隨機差異來生成"硬件指紋"的技術。就像每個人的指紋天然各不相同，每一塊芯片在制造時也會因工藝波動產生獨一無二的物理特征，PUF正是把這種"制造誤差"變成了安全資產。

這一技術對物聯網終端、邊緣計算芯片和可信電子系統來說至關重要。

然而，傳統硅基PUF長期面臨一個棘手的困境：挑戰與響應之間的映射關系一旦固定，就容易被機器學習模型"學會"。攻擊者只需積累足夠多的輸入輸出樣本，就能訓練出一個可以高精度預測芯片行為的模型，從而偽造出合法的身份認證響應。這種被稱為"建模攻擊"的手段，已經成為懸在硅基PUF頭頂的一把劍。

更根本的問題在于，傳統PUF的密鑰一旦生成便無法更改。一旦密鑰信息外泄或系統遭到入侵，整個認證體系就會徹底失效，而且無法通過軟件升級來修復。

二硫化鉬與光的"雙重加密"

二硫化鉬環形振蕩器物理不可克隆函數密碼學示意圖。研究團隊供圖

研究團隊選擇了二硫化鉬作為核心材料，這并非偶然。作為最具代表性的二維半導體之一，單層二硫化鉬擁有直接帶隙、優異的光電響應和晶圓級制備潛力，使其成為構建新型安全器件的理想平臺。

團隊在晶圓級單層二硫化鉬上構建了一個8×8、共64個單元的五級環形振蕩器陣列。每個振蕩器都能自持穩定振蕩，而不同單元之間由于材料本身的微觀差異，振蕩頻率天然各不相同，這構成了器件的"本征電學熵"。

真正的創新點在于引入了光作為第二維度的熵源。

實驗表明，紅光、綠光、藍光照射下，振蕩器的頻率響應存在顯著差異：紅光調控效果最強，綠光居中，藍光最弱。這種波長依賴的選擇性響應，根源在于二硫化鉬對不同波長光子的吸收效率和載流子激發機制有所不同。也就是說，改變光照波長，就相當于給整個陣列"重新洗牌"，在不觸動任何硬件結構的前提下，生成一套全新的頻率分布，進而派生出一把全新的密鑰。

這種可逆、可重復的密鑰重構能力，是傳統PUF所不具備的。

研究團隊在此基礎上建立了完整的密鑰生成流程：陣列輸出的頻率信號依次經過片內歸一化、隨機高斯投影、q元量化、SHA-256隱私放大，最終通過HMAC密鑰推導生成可用于加密和認證的安全密鑰。統計測試顯示，所生成密鑰的均勻性接近50%的理想水平，器件間歸一化漢明距離在不同量化參數下介于0.677至0.761之間，說明不同芯片的指紋具有高度可區分性。

抗攻擊能力：機器學習面前的"隨機墻"

針對最棘手的機器學習建模攻擊，團隊分別使用多層感知器、支持向量機和線性回歸模型進行了系統測試。結果相當令人滿意：經過SHA-256哈希處理后，所有模型對密鑰的預測準確率均接近50%，與隨機猜測無異。

這一結果的背后邏輯清晰：哈希函數在模擬頻率特征與最終密鑰之間構建了一道單向屏障，即便攻擊者完整采集了所有頻率數據，也無法從中反推出密鑰內容，更無法建立有效的預測模型。

在實際應用驗證中，該系統展示了圖像加密、身份認證和篡改檢測三項核心能力。圖像加密實驗中，正確光照條件下生成的密鑰可準確還原原始圖像，錯誤波長或錯誤密鑰則只能得到一片噪聲。篡改檢測測試同樣表現穩定，系統能夠識別密文中的細微改動，展現出良好的完整性校驗能力。

與同類方案相比，這一光可重構RO-PUF在唯一性、均勻性、動態可重構性和抗攻擊能力等指標上呈現出綜合優勢，超越了傳統CMOS SRAM PUF、石墨烯FET PUF、碳納米管PUF以及已有的二硫化鉬基PUF方案。

從更宏觀的視角來看，這項研究的意義不僅在于一個器件的性能提升，更在于它開辟了一條將二維材料的光電特性與硬件安全邏輯深度融合的新路徑。當物聯網設備的數量以百億計，當邊緣計算芯片滲透進工業、醫療、交通的每一個角落，一種兼具低功耗、可重構性和強抗攻擊能力的安全方案，其實際價值難以估量。