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

在數(shù)據(jù)作為商品買賣的時代，真正的隱私是罕見的。但是同態(tài)加密可以完全保護您的數(shù)據(jù)，因此任何人，甚至是用于處理它的服務(wù)器，都無法讀取您的信息。

它的工作原理是這樣的：設(shè)備對數(shù)據(jù)進行加密，將其發(fā)送出去進行處理，對加密數(shù)據(jù)進行計算，然后在返回時解密數(shù)據(jù)。數(shù)學上復雜的過程可確保您處理的數(shù)據(jù)可以在最后解密，而任何人都無法在中間對其進行解碼。

然而，實現(xiàn)同態(tài)加密的基礎(chǔ)數(shù)學所需的計算能力對于目前的物聯(lián)網(wǎng)來說太過分了。

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

“通過實施新型半導體設(shè)備，我們可以讓手機等商用電子產(chǎn)品利用云的計算能力，同時還可以保證我們數(shù)據(jù)的安全，”北京大學集成電路助理教授、開發(fā)新系統(tǒng)的研究人員之一 Kechao Tang 說。

晶體管內(nèi)部的數(shù)學運算

要執(zhí)行同態(tài)加密過程，計算機必須能夠生成一個隨機密鑰，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)行多項式乘法和加法，將數(shù)據(jù)以加密形式進行處理。

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

對于加密過程，密鑰有助于將用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由多項式系數(shù)組成的向量。然后，該向量乘以一個數(shù)字矩陣，然后乘以另一個向量。所以加密通常需要兩個步驟，但在 FeFET 陣列中，只需一個步驟即可完成。

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，這種材料無需處于電場中即可保持電極化。鐵電層可以將數(shù)據(jù)存儲為該極化的大小。與其他晶體管一樣，F(xiàn)eFET 有三個端子：漏極、源極和柵極。計算鐵電材料中的存儲狀態(tài)，這意味著可以在 FeFET 中組合三個信號：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 FeFET 來計算 3 個輸入乘法。

當許多 FeFETs 組合成一個數(shù)組時，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。矩陣存儲在 FeFET 陣列的鐵電層中，原始數(shù)據(jù)的向量輸入到每個 FeFET 的柵極，第二個向量輸入到 FeFET 陣列的漏極。在一個步驟中，F(xiàn)eFET 數(shù)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(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行更高效的計算，”Tang 說。

研究人員還嘗試使用 RRAM 來完成同態(tài)加密所需的矩陣乘法，因為它還具有在內(nèi)存中存儲狀態(tài)的能力。然而，根據(jù) Tang 的說法，鐵電器件在解密過程中產(chǎn)生的噪聲應(yīng)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“在進行編碼和解碼時不太可能出錯，”Tang 說，“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(shè)備的準確率為 99.6%。

未來，Tang 希望在我們的智能手機中看到這項技術(shù)。“如果我們可以將我們的設(shè)備應(yīng)用到手機中，這意味著我們的手機將能夠?qū)σ蟼鞯皆贫说臄?shù)據(jù)進行編碼，然后將其取回，然后對其進行解碼，”他說。