FeFET 陣列可在電池供電設備中實(shí)現同態(tài)加密

在數據作為商品買(mǎi)賣(mài)的時(shí)代，真正的隱私是罕見(jiàn)的。但是同態(tài)加密可以完全保護您的數據，因此任何人，甚至是用于處理它的服務(wù)器，都無(wú)法讀取您的信息。

它的工作原理是這樣的：設備對數據進(jìn)行加密，將其發(fā)送出去進(jìn)行處理，對加密數據進(jìn)行計算，然后在返回時(shí)解密數據。數學(xué)上復雜的過(guò)程可確保您處理的數據可以在最后解密，而任何人都無(wú)法在中間對其進(jìn)行解碼。

然而，實(shí)現同態(tài)加密的基礎數學(xué)所需的計算能力對于目前的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)太過(guò)分了。

位于中國北京的北京大學(xué)的一個(gè)工程師團隊旨在改變這種狀況。他們的新器件使用鐵電場(chǎng)效應晶體管 （FeFET） 陣列創(chuàng )建，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以以高精度和低計算負載執行加密和解密過(guò)程。工程師們今天在 2024 年 IEEE 國際電子器件會(huì )議上推出了該陣列。

“通過(guò)實(shí)施新型半導體設備，我們可以讓手機等商用電子產(chǎn)品利用云的計算能力，同時(shí)還可以保證我們數據的安全，”北京大學(xué)集成電路助理教授、開(kāi)發(fā)新系統的研究人員之一 Kechao Tang 說(shuō)。

晶體管內部的數學(xué)運算

要執行同態(tài)加密過(guò)程，計算機必須能夠生成一個(gè)隨機密鑰，該密鑰將用于加密，然后用于“解鎖”數據。然后，它使用該密鑰執行多項式乘法和加法，將數據以加密形式進(jìn)行處理。

為了創(chuàng )建加密密鑰，晶體管陣列使用通過(guò) FeFET 的電流波動(dòng)。FeFET 可以設計為具有比常規 MOSFET 晶體管高得多的波動(dòng)度，因此器件產(chǎn)生的隨機數比從普通硅芯片獲得的隨機數更難預測，從而使加密更難破解。

對于加密過(guò)程，密鑰有助于將用戶(hù)的數據轉換為由多項式系數組成的向量。然后，該向量乘以一個(gè)數字矩陣，然后乘以另一個(gè)向量。所以加密通常需要兩個(gè)步驟，但在 FeFET 陣列中，只需一個(gè)步驟即可完成。

這是可能的，因為 FeFET 的性質(zhì)。在晶體管中控制電流流經(jīng)器件的部分，即柵極，它們有一層鐵電材料，這種材料無(wú)需處于電場(chǎng)中即可保持電極化。鐵電層可以將數據存儲為該極化的大小。與其他晶體管一樣，FeFET 有三個(gè)端子：漏極、源極和柵極。計算鐵電材料中的存儲狀態(tài)，這意味著(zhù)可以在 FeFET 中組合三個(gè)信號：漏極輸入、柵極輸入和存儲狀態(tài)。（源提供輸出電流。因此，可以制作一個(gè) FeFET 來(lái)計算 3 個(gè)輸入乘法。

當許多 FeFETs 組合成一個(gè)數組時(shí)，該數組現在可以接收加密所需的三組數據：要加密的數據向量以及加密矩陣和向量。矩陣存儲在 FeFET 陣列的鐵電層中，原始數據的向量輸入到每個(gè) FeFET 的柵極，第二個(gè)向量輸入到 FeFET 陣列的漏極。在一個(gè)步驟中，FeFET 數組將向量、矩陣和向量的信號組合在一起，然后將最終的加密數據輸出為電流。

“我們可以用更少的面積開(kāi)銷(xiāo)和更低的功耗進(jìn)行更高效的計算，”Tang 說(shuō)。

研究人員還嘗試使用 RRAM 來(lái)完成同態(tài)加密所需的矩陣乘法，因為它還具有在內存中存儲狀態(tài)的能力。然而，根據 Tang 的說(shuō)法，鐵電器件在解密過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲應該比 RRAM 少。由于鐵電器件的導通和關(guān)斷狀態(tài)之間的差異比 RRAM 大，因此“在進(jìn)行編碼和解碼時(shí)不太可能出錯，”Tang 說(shuō)，“因為你可以很容易地分辨出它是 1 還是 0。以前的 RRAM 解決方案的準確率在 97.1% 到 98.8% 之間，而該設備的準確率為 99.6%。

未來(lái)，Tang 希望在我們的智能手機中看到這項技術(shù)?！叭绻覀兛梢詫⑽覀兊脑O備應用到手機中，這意味著(zhù)我們的手機將能夠對要上傳到云端的數據進(jìn)行編碼，然后將其取回，然后對其進(jìn)行解碼，”他說(shuō)。