人们常说，世上没有两枚完全相同的人类指纹。因此，警方常将指纹作为证据，把嫌疑人与犯罪现场联系起来。
硅芯片也是如此：制造工艺会使芯片产生微观差异，这些差异无法预测、永久存在，而且实际上不可能被克隆。
麻省理工学院衍生企业 Verayo 现正利用这些无法克隆的差异，为消费品标签中使用的硅芯片“采集指纹”——随后可通过移动设备扫描并验证身份——以助力打击全球假冒行为。
根据联合国 2013 年的一份报告，国际贸易商品中约有 2% 至 5% 为假冒商品——其中包括电子产品、食品和药品——每年给各国政府和私营企业造成数千亿美元损失。
“这是一种利用‘硅生物识别’的低成本验证方式，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系 Edwin Sibley Webster 教授、Verayo 联合创始人兼首席科学家 Srini Devadas 说。
Verayo 的技术如今已在全球投入使用，其基础是 Devadas 对硅芯片内部这些差异所做的开创性研究。这些差异被称为“物理不可克隆函数”（PUF），会导致芯片对电信号作出响应的速度出现细微差异。
Verayo 的技术根据这些速度差异，为制造出的芯片分配一组 128 位数字，并将其存储在云端数据库中。芯片集成到射频识别（RFID）标签后，可由移动设备或读卡器扫描；设备会查询数据库，以确定标签是否为正品。每次验证都会使用不同的 128 位数字。
Verayo 目前瞄准消费品市场，去年与其最大客户佳能株式会社合作，将 Verayo 的芯片集成到在中国各地销售的相机 RFID 标签中。Verayo 的其他客户包括礼品卡和忠诚度卡供应商。该技术还可用于识别假驾照和假护照。
Devadas 说，公司目前正与酒庄开展试点研究，也在寻求进入消耗品市场，这可能大幅提升销售额。“这种芯片的制造成本可以低至五美分，但要靠卖出大量芯片才能赚钱，”他说。
Devadas 补充说，自 2013 年以来，公司已在全球售出逾 4000 万枚芯片：“这是产品化和学术上的成功。就我而言，这很棒。”
信号竞速
PUF 在硅芯片制造过程中形成：导线的粗细会有所不同，而用于制造半导体晶圆的化学气相沉积工艺会产生微观凸起。受这些差异影响，电子会以不同程度的阻力流经芯片的不同路径，从而造成处理速度差异。
PUF 技术通过让信号在芯片中“竞速”来发挥作用。两个相同的电信号——由一个输入“挑战”产生——同时送入芯片，并分别沿两条不同路径传输。信号竞相到达一个锁存器，由它测量芯片处理哪一路信号更慢或更快，这一测量结果称为“响应”。如果一条路径更快，输出为 1；如果另一条路径更快，输出为 0。每次竞速更换输入信号并重复这一过程，就能得到一个 128 位数字；这一过程可以重复数百次。
Devadas 说：“这样一来，对于任何一次竞速，得到相同 128 位结果的概率会骤然变得极小。”
扫描标签时，读卡器会先识别标签。随后，它会向芯片发出数据库中存储的众多挑战之一，且该挑战是随机选取的。如果响应中有 96 位或更多位匹配，就会被视为正品。标签贴在佳能相机包装上，消费者可用支持近场通信的智能手机扫描。
2002 年，Devadas 与其他麻省理工学院研究人员在计算机与通信安全会议上发表了一篇开创性论文，介绍硅 PUF 技术；该论文创用了这一名称，并描述了首个集成式 PUF 电路。今年 3 月，该论文获得电气与电子工程师学会和计算机协会颁发的 A. Richard Newton 技术影响奖。Devadas 说，这“是对这一理念和技术经受时间考验的认可”。
到 2004 年，Devadas 和他的学生已研制出几十个体积庞大的 PUF 电路，并给每个电路贴上一个人名标签，例如“Harold”“Cameron”和“Dennis”。他们将每个电路的速度特征存入电脑数据库；使用定制读卡器扫描某个电路时，其名称就会显示在屏幕上。
该项目为 Devadas 赢得了麻省理工学院 Deshpande 技术创新中心的一笔资助以及数笔政府拨款，这些支持帮助 Verayo 在硅谷现址创立。
守护易失性秘密
Devadas 说，尽管 Verayo 专注于消费领域，这项技术还有其他用途，例如生成“易失性密钥”，只有在施加电压激活后才会显现。
Devadas 说，由于 PUF 芯片不存储这类秘密，它们需要电压才能显现各自独特的数字标识——这些标识可作为加密密钥存储。“芯片通电时，会生成这个 128 位数字；但芯片断电后，这个数字就不存在了，”Devadas 说。“如果我没有办法把[密钥]取出来，我就不知道它是什么。”
Devadas 说，与传统非易失性数据存储设备相比，这项技术具有优势；传统设备例如闪存或可擦除可编程只读存储器芯片，即使关机也会保留可被黑客利用的数据。他补充说，这些非易失性芯片仍然很难攻破，但不如启用 PUF 的芯片难以攻破；要检查后者，必须在芯片通电且施加正确挑战时进行内部检查。
Devadas 说：“所有密码学都建立在某些信息保持秘密这一基础上。PUF 是以更具物理安全性的方式生成这些秘密的一种方法。”
这一理念获得了美国国防部的资助。例如，它有助于确保无人机不会连接到遭黑客入侵的服务器，也能防止可穿戴设备与未经授权的服务器共享数据。
Devadas 说，近年来 PUF 技术市场显著增长，如今还有其他公司进入这一领域。但竞争并未令这位 PUF 先驱气馁；事实上，Devadas 对兴趣日益浓厚感到兴奋。
他说：“感觉整个世界正在逐渐认同这项技术。我们仍在这里——这正是它的可贵之处。”
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Rob Matheson 是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：2007 年 1 月 9 日，在台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）展示的一片 12 英寸晶圆。REUTERS/Richard Chung。
