鐵電場效應晶體管（FeFET）陣列可在電池供電設備中實現同態加密

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在一個數據被當作商品買賣的時代，真正的隱私十分罕見。但是同態加密可以完全保護你的數據，這樣一來，任何人，甚至是用于處理數據的服務器，都無法讀取你的信息。

其工作原理如下：設備對數據進行加密，將其發送出去以供處理，對加密數據進行計算，然后在數據返回時進行解密。一個數學上復雜的過程確保了處理后的數據最終能夠被解密，而在中間過程任何人都無法對其進行解碼。

然而，對于目前的物聯網來說，實現同態加密所需的基礎數學運算能力要求過高（https://spectrum.ieee.org/fully-homomorphic-encryption）。

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中國北京大學的一個工程師團隊旨在改變這種狀況。他們利用鐵電場效應晶體管（FeFET）陣列制造的新設備經過優化，能夠以高精度和低計算負載執行加密和解密過程。近日，這些工程師在2024 IEEE International Electron Devices Meeting上展示了該陣列（https://www.ieee-iedm.org/）。

“通過采用新型半導體器件，我們能讓手機等商用電子產品利用云計算能力的同時，也保障我們數據的安全。”北京大學集成電路助理教授、開發這個新系統的研究人員之一Kechao Tang說道。

晶體管內部的數學原理

為了執行同態加密過程，計算機必須能夠生成一個隨機密鑰，該密鑰將用于加密數據，隨后用于“解鎖”（解密）數據。然后，計算機使用該密鑰進行多項式乘法和加法運算，從而將數據轉換為加密形式以進行處理。

為了創建用于加密的密鑰，晶體管陣列利用通過鐵電場效應晶體管（FeFET）的電流波動。鐵電場效應晶體管經過設計后，其波動程度可比常規的金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管（MOSFET）高得多，因此該設備生成的隨機數比從普通硅芯片得到的隨機數更難以預測，從而使加密更難被破解。

對于加密過程而言，密鑰有助于將用戶數據轉換為由多項式系數組成的向量。然后該向量與一個數字矩陣相乘，再與另一個向量相乘。所以加密通常需要兩個步驟，但在鐵電場效應晶體管陣列中，只需一個步驟即可完成。

這之所以成為可能，是因為鐵電場效應晶體管（FeFET）的特性。在晶體管中控制電流通過的部分，即柵極，它們有一層鐵電材料——一種在不需要電場的情況下就能保持電極化的材料。鐵電層可以將這種極化的大小作為數據存儲。和其他晶體管一樣，FeFET有三個端子：漏極、源極和柵極。考慮到鐵電材料中存儲的狀態，這意味著在一個FeFET中可以組合三個信號：漏極輸入、柵極輸入和存儲狀態。（源極提供輸出電流。）因此，一個FeFET可以用來計算一個三輸入的乘法。

當許多鐵電場效應晶體管（FeFET）組合成一個陣列時，該陣列現在就能夠接收加密所需的三組數據：待加密數據的向量、加密矩陣和向量。矩陣存儲在FeFET陣列的鐵電層中，原始數據向量輸入到每個FeFET的柵極，第二個向量輸入到FeFET陣列的漏極。一步之內，FeFET陣列將向量、矩陣和向量的信號組合在一起，然后將最終的加密數據以電流形式輸出。

“我們能夠以更小的面積開銷和更低的功耗進行更高效的計算。”Tang說道。

研究人員也在嘗試使用阻變隨機存取存儲器（RRAM）來完成同態加密所需的矩陣乘法，因為它也具有在存儲器中存儲狀態的能力。然而，據Tang稱，鐵電器件在解密過程中產生的噪聲應該比RRAM少。因為鐵電器件的開態和關態之間的差異比RRAM更大，“在進行編碼和解碼時，你更不容易出錯，”Tang說，“因為你能很容易地分辨出是1還是0。以前的RRAM解決方案的準確率在97.1%到98.8%之間，而這個設備的準確率為99.6%。

將來，Tang希望在我們的智能手機中看到這項技術。他說：“如果我們能將我們的設備應用到手機中，這就意味著我們的手機將有能力對要上傳到云端的數據進行編碼，然后取回數據并進行解碼。”