FeFET 阵列可在电池供电设备中实现同态加密

在数据作为商品买卖的时代，真正的隐私是罕见的。但是同态加密可以完全保护您的数据，因此任何人，甚至是用于处理它的服务器，都无法读取您的信息。

它的工作原理是这样的：设备对数据进行加密，将其发送出去进行处理，对加密数据进行计算，然后在返回时解密数据。数学上复杂的过程可确保您处理的数据可以在最后解密，而任何人都无法在中间对其进行解码。

然而，实现同态加密的基础数学所需的计算能力对于目前的物联网来说太过分了。

位于中国北京的北京大学的一个工程师团队旨在改变这种状况。他们的新器件使用铁电场效应晶体管 （FeFET） 阵列创建，经过优化，可以以高精度和低计算负载执行加密和解密过程。工程师们今天在 2024 年 IEEE 国际电子器件会议上推出了该阵列。

“通过实施新型半导体设备，我们可以让手机等商用电子产品利用云的计算能力，同时还可以保证我们数据的安全，”北京大学集成电路助理教授、开发新系统的研究人员之一 Kechao Tang 说。

晶体管内部的数学运算

要执行同态加密过程，计算机必须能够生成一个随机密钥，该密钥将用于加密，然后用于“解锁”数据。然后，它使用该密钥执行多项式乘法和加法，将数据以加密形式进行处理。

为了创建加密密钥，晶体管阵列使用通过 FeFET 的电流波动。FeFET 可以设计为具有比常规 MOSFET 晶体管高得多的波动度，因此器件产生的随机数比从普通硅芯片获得的随机数更难预测，从而使加密更难破解。

对于加密过程，密钥有助于将用户的数据转换为由多项式系数组成的向量。然后，该向量乘以一个数字矩阵，然后乘以另一个向量。所以加密通常需要两个步骤，但在 FeFET 阵列中，只需一个步骤即可完成。

这是可能的，因为 FeFET 的性质。在晶体管中控制电流流经器件的部分，即栅极，它们有一层铁电材料，这种材料无需处于电场中即可保持电极化。铁电层可以将数据存储为该极化的大小。与其他晶体管一样，FeFET 有三个端子：漏极、源极和栅极。计算铁电材料中的存储状态，这意味着可以在 FeFET 中组合三个信号：漏极输入、栅极输入和存储状态。（源提供输出电流。因此，可以制作一个 FeFET 来计算 3 个输入乘法。

当许多 FeFETs 组合成一个数组时，该数组现在可以接收加密所需的三组数据：要加密的数据向量以及加密矩阵和向量。矩阵存储在 FeFET 阵列的铁电层中，原始数据的向量输入到每个 FeFET 的栅极，第二个向量输入到 FeFET 阵列的漏极。在一个步骤中，FeFET 数组将向量、矩阵和向量的信号组合在一起，然后将最终的加密数据输出为电流。

“我们可以用更少的面积开销和更低的功耗进行更高效的计算，”Tang 说。

研究人员还尝试使用 RRAM 来完成同态加密所需的矩阵乘法，因为它还具有在内存中存储状态的能力。然而，根据 Tang 的说法，铁电器件在解密过程中产生的噪声应该比 RRAM 少。由于铁电器件的导通和关断状态之间的差异比 RRAM 大，因此“在进行编码和解码时不太可能出错，”Tang 说，“因为你可以很容易地分辨出它是 1 还是 0。以前的 RRAM 解决方案的准确率在 97.1% 到 98.8% 之间，而该设备的准确率为 99.6%。

未来，Tang 希望在我们的智能手机中看到这项技术。“如果我们可以将我们的设备应用到手机中，这意味着我们的手机将能够对要上传到云端的数据进行编码，然后将其取回，然后对其进行解码，”他说。