研究人員提出新材料藍圖 有望提升下一代微晶片加密速度與安全性

研究人員為下一代微晶片加密定義了一種新材料藍圖。這支物理學家團隊已理論上消除了長期以來的障礙，為下一代安全晶片鋪平道路，這些晶片能在不降低性能的情況下保護日常數據。這項新研究展示了一類新材料，稱為自鐵電材料（autferroics），其能夠在保持信號清晰度的情況下，將物理真隨機數生成器（TRNG）的速度提升數千倍。

來自萊斯大學的張俊傑表示：「我們對 TRNG 的廣泛興趣，或如何從物理行為中提取熵並轉化為隨機比特，主要集中在場效應晶體管中的電荷波動實體上。」他補充道：「但在探索自鐵電材料的能量景觀時，特別是分離相反極化的低能障礙時，張俊傑提出這可能導致更快的 TRNG。這轉變為一個非常富有成果的合作，我們最近的報告與之前的研究相輔相成。」

自鐵電材料的特性

團隊還強調，安全系統在重負載下可能滯後，或如果驅動加密的隨機數生成得過慢或信號較弱，則可能變得易受黑客攻擊。在這些安全設備內，不可預測的熱波動在微型磁開關中產生關鍵數字。然而，標準設備觸發這些微觀跳躍的速度過於緩慢。工程師可以嘗試通過縮小物理組件或施加外部磁力來加快速度，但這樣會降低信號質量，導致數據讀取錯誤。

雅科布森表示，團隊的工作源於探索基本的物理行為。通過平衡物理隨機數生成器的速度和信號的清晰度，這一新設備原則理論上能夠實現高比特率處理速度，同時保持信號的清晰度和隨機性。這確保了物理安全晶片能夠以最高速度運行，而不會引入電子讀取錯誤。「這項研究對於計算、數據加密和處理及其他資訊技術可能具有重要意義，」張俊傑指出，作為萊斯大學材料科學與納米工程系的博士後研究助理，他表示，「它旨在使真隨機數生成器更快且更可靠。」

速度提升的計算結果

該團隊還透露，自鐵電材料通過其電性和磁性特性的獨特「翹翹板」相互作用，繞過了這一問題。電性和磁性狀態並不共存，而是積極相互推動。自鐵電開關不是直接強迫從一個磁性狀態翻轉到另一個，而是將過渡路徑引導至一個僅涉及電性的中間步驟。這一替代路徑降低了能量障礙近三分之二，同時保持磁信號的強度。

團隊進行的計算機模擬和動態建模顯示，降低這一能量障礙將速度從每秒不足 100 次翻轉提升至超過 400,000 次翻轉，最終每秒生成超過一百萬個隨機比特。根據發布的消息，這些結果通過了國家標準與技術研究所的官方基準測試套件，該測試套件被視為衡量隨機性的黃金標準。「翹翹板磁電性使低能耗開關變得更容易，而不削弱磁性狀態，因此保持讀取信號的強度，」張俊傑表示。「它提供明確的『是』或『否』信號，而不是『也許』。」

自鐵電材料在數據安全中的潛力

自鐵電材料的發展對於提升微晶片的加密性能至關重要。隨著數據安全需求的增加，能夠快速生成高質量隨機數的技術將成為防範黑客攻擊的關鍵。這項研究不僅展示了新材料的潛力，還強調了在不妥協信號質量的情況下，如何有效提升處理速度。這將對計算、數據加密及其他資訊技術領域產生深遠影響，促進未來安全系統的發展。