近日，北航物理學(xué)院微納物理與應(yīng)用研究室謝勇副教授、陳子瑜教授和國(guó)家納米科學(xué)中心劉前研究員、德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院王彥柯博士合作，在物理不可復(fù)制功能(PUF)防偽系統(tǒng)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果于2023年4月18日以“Random fractal-enabled physical unclonable functions with dynamic AI authentication”為題在線發(fā)表于《自然-通訊》。博士生孫寧飛為第一作者，謝勇和劉前為通訊作者，北航為第一單位。

　　當(dāng)今時(shí)代，市場(chǎng)化快速發(fā)展、人們消費(fèi)水平不斷提高，假冒偽劣商品的存在對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成不良影響。通過提高防偽標(biāo)識(shí)的安全等級(jí)和偽造難度可以有效遏制假冒商品的傳播，傳統(tǒng)防偽標(biāo)簽因其確定性的構(gòu)筑模式在自身安全性方面存在較大漏洞。PUF標(biāo)識(shí)符因其內(nèi)稟隨機(jī)屬性(intrinsic randomness)，將其用作商品的特定“指紋”密鑰，可從根本上遏制標(biāo)簽被偽造的可能。盡管當(dāng)前基于PUF的標(biāo)識(shí)符已在諸如隨機(jī)褶皺、隨機(jī)SERS信號(hào)、無規(guī)液滴圖案等技術(shù)方案中被實(shí)現(xiàn)，然而，報(bào)道結(jié)果基本停留在概念論證階段，同時(shí)存在低穩(wěn)定性、不易讀取、不易定位等技術(shù)和實(shí)用難題。如何滿足規(guī)模化、低成本、高穩(wěn)定、高效驗(yàn)證的實(shí)用化需求，制備出高安全性的PUF防偽標(biāo)簽并開發(fā)相適應(yīng)的可靠識(shí)別系統(tǒng)仍存在挑戰(zhàn)。

　　本項(xiàng)工作中，謝勇等人開發(fā)了一種由隨機(jī)分形網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符和深度學(xué)習(xí)識(shí)別驗(yàn)證模型組成的新型PUF防偽系統(tǒng)，利用金屬薄膜高溫脫滲原理獲得隨機(jī)分形金網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為PUF防偽標(biāo)識(shí)符的基本單元，通過調(diào)控薄膜厚度可實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)符編碼容量的靈活可配置(編碼值可達(dá)10348)，同時(shí)繼承了惰性金屬極高的環(huán)境穩(wěn)定性和耐用性。經(jīng)過表面粗糙化處理后的金網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步獲得與物理特征信息相疊加的表面等離子增強(qiáng)拉曼光譜信息，作為標(biāo)識(shí)符的二級(jí)安全“指紋”密鑰，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)PUF標(biāo)識(shí)符的信息存儲(chǔ)能力和防克隆能力。

PUF的制作流程、光學(xué)表征及類“凱西樹”分形結(jié)構(gòu)模型

　　借助高通量的圖案化光刻(鏤空模板)、薄膜沉積以及一步熱退火技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)PUF單元制作，體現(xiàn)了批量化、低成本(單個(gè)標(biāo)簽成本不到1美分)的制作特點(diǎn)。為了應(yīng)用到實(shí)際防偽場(chǎng)景，作者進(jìn)一步開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)算法的圖像PUF識(shí)別驗(yàn)證系統(tǒng)，借助ResNet50分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)37000個(gè)PUF標(biāo)識(shí)符(10348)實(shí)現(xiàn)了可溯源、快速(6.36s)、高精度(0%假陽(yáng)性)的驗(yàn)證，并提出了一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)策略，賦予深度學(xué)習(xí)模型極高的數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)容能力，理論上打破了龐大數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與低訓(xùn)練時(shí)間成本難以兼容的技術(shù)瓶頸。

深度學(xué)習(xí)識(shí)別驗(yàn)證系統(tǒng)的建立及擴(kuò)容、解碼性能展示

　　此外，研究成果所介紹的PUF制作流程與微電子工藝流程高度兼容，有望與精密元器件直接集成并完成其真?zhèn)悟?yàn)證，從而將適用場(chǎng)景從高貨值商品拓寬至集成電路領(lǐng)域。本項(xiàng)工作從分形理論的物理學(xué)原理出發(fā)，與材料和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域多學(xué)科交叉，完成從理論設(shè)計(jì)、材料制備、算法開發(fā)到場(chǎng)景應(yīng)用的全鏈條研發(fā)，所得PUF系統(tǒng)具有產(chǎn)品轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力，可為下一代PUF防偽技術(shù)的發(fā)展和普及助力。本項(xiàng)工作的相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利并授權(quán)(ZL202210476096.3)。

　　該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和北航雙一流建設(shè)經(jīng)費(fèi)等的支持。

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　　https://doi.org/10.1038/s41467-023-37588-5.Nat. Commun. 14, 2185 (2023).