FeFET 陣列可在電池供電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)同態(tài)加密

在數(shù)據(jù)作為商品買賣的時(shí)代，真正的隱私是罕見的。但是同態(tài)加密可以完全保護(hù)您的數(shù)據(jù)，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(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，將其發(fā)送出去進(jìn)行處理，對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后在返回時(shí)解密數(shù)據(jù)。數(shù)學(xué)上復(fù)雜的過(guò)程可確保您處理的數(shù)據(jù)可以在最后解密，而任何人都無(wú)法在中間對(duì)其進(jìn)行解碼。

然而，實(shí)現(xiàn)同態(tài)加密的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)所需的計(jì)算能力對(duì)于目前的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)太過(guò)分了。

位于中國(guó)北京的北京大學(xué)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)旨在改變這種狀況。他們的新器件使用鐵電場(chǎng)效應(yīng)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(jì)算負(fù)載執(zhí)行加密和解密過(guò)程。工程師們今天在 2024 年 IEEE 國(guó)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(dǎo)體設(shè)備，我們可以讓手機(jī)等商用電子產(chǎn)品利用云的計(jì)算能力，同時(shí)還可以保證我們數(shù)據(jù)的安全，”北京大學(xué)集成電路助理教授、開發(fā)新系統(tǒng)的研究人員之一 Kechao Tang 說(shuō)。

晶體管內(nèi)部的數(shù)學(xué)運(yùn)算

要執(zhí)行同態(tài)加密過(guò)程，計(jì)算機(jī)必須能夠生成一個(gè)隨機(jī)密鑰，該密鑰將用于加密，然后用于“解鎖”數(shù)據(jù)。然后，它使用該密鑰執(zhí)行多項(xiàng)式乘法和加法，將數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)為具有比常規(guī) MOSFET 晶體管高得多的波動(dòng)度，因此器件產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)比從普通硅芯片獲得的隨機(jī)數(shù)更難預(yù)測(cè)，從而使加密更難破解。

對(duì)于加密過(guò)程，密鑰有助于將用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由多項(xiàng)式系數(shù)組成的向量。然后，該向量乘以一個(gè)數(shù)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?yàn)?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(shù)據(jù)存儲(chǔ)為該極化的大小。與其他晶體管一樣，F(xiàn)eFET 有三個(gè)端子：漏極、源極和柵極。計(jì)算鐵電材料中的存儲(chǔ)狀態(tài)，這意味著可以在 FeFET 中組合三個(gè)信號(hào)：漏極輸入、柵極輸入和存儲(chǔ)狀態(tài)。（源提供輸出電流。因此，可以制作一個(gè) FeFET 來(lái)計(jì)算 3 個(gè)輸入乘法。

當(dāng)許多 FeFETs 組合成一個(gè)數(shù)組時(shí)，該數(shù)組現(xiàn)在可以接收加密所需的三組數(shù)據(jù)：要加密的數(shù)據(jù)向量以及加密矩陣和向量。矩陣存儲(chǔ)在 FeFET 陣列的鐵電層中，原始數(shù)據(jù)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，F(xiàn)eFET 數(shù)組將向量、矩陣和向量的信號(hào)組合在一起，然后將最終的加密數(shù)據(jù)輸出為電流。

“我們可以用更少的面積開銷和更低的功耗進(jìn)行更高效的計(jì)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?yàn)樗€具有在內(nèi)存中存儲(chǔ)狀態(tài)的能力。然而，根據(jù) Tang 的說(shuō)法，鐵電器件在解密過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲應(yīng)該比 RRAM 少。由于鐵電器件的導(dǎo)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(cuò)，”Tang 說(shuō)，“因?yàn)槟憧梢院苋菀椎胤直娉鏊?1 還是 0。以前的 RRAM 解決方案的準(zhǔn)確率在 97.1% 到 98.8% 之間，而該設(shè)備的準(zhǔn)確率為 99.6%。

未來(lái)，Tang 希望在我們的智能手機(jī)中看到這項(xiàng)技術(shù)?！叭绻覀兛梢詫⑽覀兊脑O(shè)備應(yīng)用到手機(jī)中，這意味著我們的手機(jī)將能夠?qū)σ蟼鞯皆贫说臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后將其取回，然后對(duì)其進(jìn)行解碼，”他說(shuō)。