核心概念

什麼是 neoPUF？

neoPUF 是一種基於量子穿隧效應 (Quantum Tunneling) 的 PUF 技術。傳統的 PUF 可能依賴於電路延遲的微小差異（如 SRAM PUF），這些差異可能會隨著溫度或老化而改變，導致密鑰不穩定。而 neoPUF 利用的是半導體材料（通常是氧化層）在極高電場下的量子穿隧現象。

當施加足夠高的電壓時，電子會穿透原本絕緣的氧化層，造成不可逆的破壞，這個過程稱為崩潰 (Breakdown)。在 neoPUF 中，這個崩潰是隨機發生的，有些氧化層會崩潰，有些則不會。

neoPUF 的運作原理

neoPUF 的基本單元包含兩個並聯的電晶體。在寫入階段，系統會對這兩個電晶體的閘極施加高壓。由於微觀結構的隨機差異，其中一個電晶體的氧化層會先發生崩潰，形成導電路徑。一旦其中一個崩潰，電壓就會下降，另一個電晶體就不會崩潰。

這兩個電晶體的狀態就代表了 0 或 1。因為崩潰是永久且不可逆的物理變化，所以 neoPUF 產生的密鑰非常穩定，不會受到環境變化或老化的影響。

**1.施加高壓 (Enrollment):**寫入階段.

對兩個並聯的電晶體施加高電壓。

**2.隨機崩潰 (Breakdown):**量子穿隧效應.

由於微觀差異，其中一個氧化層會先發生崩潰，形成導電路徑。

3.狀態鎖定 (State Locked):

電壓下降，另一個氧化層保持完整。這兩個狀態代表 0 或 1。

4.讀取 (Readout):

測量兩條路徑的電阻差異，讀取穩定的隨機密鑰。

實際範例

範例 1：neoPUF 與 SRAM PUF 的比較

這是一個說明 neoPUF 穩定性優勢的常見情境。

1.情境設定:

晶片需要在極端溫度（-40°C 到 125°C）下運作。

2.SRAM PUF 的表現:

SRAM PUF 依賴於初始上電時，記憶體單元狀態的微小不對稱性。在極端溫度下，這些微小的電性差異可能會反轉，導致產生的密鑰改變，需要複雜的錯誤更正碼 (ECC) 來修復。

3.neoPUF 的表現:

neoPUF 是基於氧化層的物理性破壞（崩潰）。無論溫度如何變化，已崩潰的氧化層不會恢復，未崩潰的氧化層也不會無故崩潰。因此，neoPUF 在極端溫度下仍能保持 100% 的密鑰穩定性，通常不需要 ECC。

抵抗逆向工程 (Reverse Engineering)

逆向工程通常利用高階顯微鏡（如掃描式電子顯微鏡 SEM）將晶片逐層剝離並拍照，試圖「看」出記憶體（如 ROM）中儲存的 0 或 1。

• 視覺上的隱形：由於在顯微鏡下極難從外觀上分辨氧化層是否已經崩潰，駭客無法輕易透過逆向工程或侵入式攻擊來竊取密鑰 。氧化層的崩潰是發生在奈米尺度下的細微物理改變，不會造成外觀上明顯的燒毀或孔洞，因此透過視覺檢測來讀取密鑰幾乎是不可能的任務。

像每個人都有獨一無二的指紋一樣，晶片也可以有自己專屬的「指紋」，我們稱之為物理不可複製功能 (PUF, Physical Unclonable Function)。neoPUF 是一種高階的 PUF 技術，它不需要特殊的製程，就能在標準的 CMOS 晶片中產生獨特、隨機且不可預測的密鑰。這使得晶片在出廠後，不需要再燒錄密鑰，就能擁有極高的安全性，對於防偽、認證和資料保護至關重要。

抵抗侵入式攻擊與探針攻擊 (Invasive & Probing Attacks)

侵入式攻擊通常涉及使用聚焦離子束 (FIB) 切割晶片封裝，並直接使用微探針接觸內部電路，試圖量測電壓或電流。

• 破壞即失效的物理防護：neoPUF 的密鑰資訊隱藏在極薄的閘極氧化層結構中。當攻擊者試圖用物理探針去接觸或探測這些微觀結構時，極容易改變該處的寄生電容，甚至直接破壞氧化層結構。這意味著探測行為本身就會摧毀或改變原本的密鑰狀態，讓攻擊者只能讀取到無意義的亂碼。

• 難以定位的設計：由於 neoPUF 使用標準 CMOS 製程中的一對相鄰電晶體 ，從晶片佈局 (Layout) 來看，這些單元與一般的邏輯電路長得完全一樣。攻擊者即使打開晶片，也很難在數以千萬計的電晶體海中準確定位出哪些是儲存密鑰的 PUF 單元。

抵抗側信道攻擊 (Side-Channel Attacks, SCA)

側信道攻擊不直接破壞晶片，而是透過監聽晶片運作時的物理洩漏資訊（如耗電量、電磁輻射波形）來推導內部處理的密鑰資訊。

• 極微弱的物理洩漏：neoPUF 在讀取階段 (Readout) 時，只需要施加低電壓來測量電晶體是呈現低電阻（已崩潰）還是高電阻（未崩潰） 。這種靜態阻值測量所產生的電流極小，且發生在晶片內部極微小的區域，外部儀器極難捕捉到有意義的訊號波動。

• 缺乏動態翻轉特徵：傳統記憶體（如 SRAM 或 EEPROM）在讀取資料時，可能會伴隨較明顯的狀態切換與電容充放電，產生容易被差分功耗分析 (DPA) 捕捉的動態功耗特徵。而 neoPUF 氧化層崩潰是一種不可逆的物理破壞 ，其狀態是永久固定的，讀取過程幾乎沒有動態功耗特徵可供攻擊者分析。 ＿＿

要達成「端到端」的資料安全，不能單靠一個密鑰，而是必須以 PUF 為基礎，往上堆疊出完整的硬體安全架構與系統安全協定。以下是在 SoC 系統層級中必須搭配的關鍵機制：

一、 核心硬體架構：建立安全邊界

要保護從 PUF 萃取出來的密鑰，SoC 內部必須有一個不受外部應用程式干擾的「保險箱」。

• 安全隔離區 (Secure Enclave / HSM)： 在 SoC 中劃分出一個獨立的硬體安全模組（例如 ARM TrustZone 或 RISC-V 的 PMP 架構）。neoPUF 應該被封裝在這個隔離區內，一般的作業系統（Rich OS）無法直接存取 PUF 的原生密鑰，只能透過標準 API 向安全區請求加密服務。

• 硬體加密引擎 (Crypto Accelerators)： 系統需要內建高效率的對稱加密（如 AES）、非對稱加密（如 RSA、ECC）與雜湊函數（如 SHA-256）硬體引擎。PUF 產生的密鑰會直接硬體對接到這些引擎，資料在 SoC 內部處理完後才送出，確保「密鑰不落地」。

• 安全匯流排與記憶體隔離： 確保 SoC 內部的通訊匯流排（Bus）不會被惡意側錄，並利用記憶體保護單元 (MPU) 防止惡意程式越界讀取安全區的記憶體暫存區。

二、 系統層級與通訊協定：發揮 PUF 的價值

有了安全的硬體環境後，我們需要透過標準協定，將這份信任延伸到整個系統甚至雲端網路。

• 金鑰衍生與管理 (Key Derivation Function, KDF)： 我們通常不會直接拿 PUF 產生的原始密鑰來加密所有資料。相反地，PUF 提供的是最高層級的「根金鑰 (Root Key)」。系統會透過 KDF 演算法，從根金鑰衍生出多把「會話金鑰 (Session Keys)」或「應用金鑰 (Application Keys)」。這樣即使某把應用金鑰外洩，也不會危及系統根本。

• 安全開機 (Secure Boot)： 這是系統啟動的第一道防線。當 SoC 通電時，會先利用 PUF 根目錄下的公鑰/私鑰架構，去驗證韌體（Bootloader 與 OS）的數位簽章。只有確認韌體沒有被駭客篡改過，系統才會獲准開機。

• 設備雙向身分認證 (Mutual Authentication)： 當設備要連上雲端（如 AWS IoT、Azure）時，必須證明自己的身分。藉由 neoPUF 產生的唯一硬體指紋，結合傳輸層安全協定（如 TLS / DTLS）進行 Challenge-Response 認證，能防止偽造設備惡意連入網路。

• 安全的遠端更新 (Secure OTA)： 聯網設備無可避免需要更新韌體。透過端到端的加密協定，雲端伺服器發送的更新包必須被加密且簽章，SoC 收到後利用源自 PUF 的金鑰進行解密與驗證，確保更新過程不會被植入惡意木馬。