عندما تكون تقنيات أشباه الموصلات التقليدية غير قادرة على تلبية المتطلبات غير الوظيفية لمنتجات جديدة—بما في ذلك عوامل مثل استهلاك الطاقة، والتخلص من الطاقة القصوى، وتكلفة الرقاقة و/أو حجمها—يجب أن تظهر تقنيات جديدة لسد هذه الفجوة.
في عمود حديث نشر في IEEE Security & Privacy بعنوان "أمان الأجهزة في عصر تقنيات الأجهزة والأنظمة الناشئة" (Hardware Security in the Era of Emerging Device and System Technologies)، تدعو نيل مينتينس، نائب رئيس التحرير، إلى زيادة البحث في أمان الأنظمة الإلكترونية المبنية على تقنيات الأجهزة الجديدة والأكثر كفاءة.
خارطة طريق لفرص التكنولوجيا
تستخدم خريطة الطريق الدولية للأجهزة والأنظمة (International Roadmap for Devices and Systems - IRDS) أفقًا يمتد 15 عامًا لتقديم التوقعات والإرشادات حول الفرص والقيود المتوقعة للتقنيات التقليدية والناشئة.
من بين الفرق الدولية المختلفة التي يصفها ملخص التنفيذ لخريطة الطريق الدولية، نجد:
- فريق "More Moore": يتناول التحديات والحلول لاستمرار قانون مور (Moore’s Law) ويركز على تقليص ميزات أشباه الموصلات.
- فريقي "More than Moore" و "Beyond CMOS": يتناولان التقنيات الناشئة التي تتبع مسارات بديلة بدلاً من التركيز على قانون مور.
في هذه الحالة، تشمل أمثلة التقنيات البديلة:
- تقنيات الذاكرة الجديدة مثل الذاكرة المغناطيسية (magnetic memories) والذاكرة المقاومة (resistive memories).
- الأجهزة المنطقية الجديدة مثل الأجهزة المعتمدة على الأنابيب النانوية الكربونية (carbon nanotubes) أو الأمواج الدوارة (spin waves).
تستخدم المنتجات التجارية بالفعل بعضًا من هذه التقنيات الناشئة، لكن البحث في خصائص أمان الأجهزة لهذه المنتجات لا يزال في مراحله الأولى.
الأمان: حدود المعرفة الحالية
في عمودها، تطرح مينتينس سؤالًا رئيسيًا:
هل يمكن استخدام المعرفة الحالية حول التقنيات التقليدية للتفكير في التقنيات الناشئة؟
ثم تفترض أنه للإجابة على هذا السؤال، يجب إعادة النظر في اللبنات الأساسية لأمان الأجهزة: جذور الثقة في الأجهزة (hardware roots of trust - RoTs).
تستشهد سينوبسيس (Synopsys) - الرائدة عالميًا في نوى الملكية الفكرية للأجهزة في مجال الأمان - ببعض الجذور الأساسية للثقة، بما في ذلك:
- معجلات التشفير العتادية (hardware cryptographic accelerators)
- مولدات الأرقام العشوائية الحقيقية (True Random Number Generators - TRNGs)
- التخزين الآمن (secure storage)
إلى هذه القائمة، تضيف مينتينس:
- الوظائف التي لا يمكن استنساخها فيزيائيًا (Physically Unclonable Functions - PUFs) كبديل لتخزين المفاتيح الآمن.
الشيء المشترك بين هذه المكونات، كما تقول مينتينس، هو أن خصائص الأمان المطلوبة لها "تعتمد بشدة على سلوكها الفيزيائي، الذي تحدده التقنية الأساسية".
توليد جذور الثقة الجديدة: تقنيتان واعدتان
تسلط مينتينس الضوء على تقنيتين ناشئتين كمناسبتين لتوليد جذور الثقة للأجهزة التجارية: الذاكرة المقاومة (resistive memories) والإلكترونيات المرنة (flexible electronics).
الذاكرة المقاومة
تعد الذاكرة المقاومة نوعًا من أجهزة الذاكرة الناشئة غير المتطايرة (non-volatile memory)؛ حيث تستهلك طاقة أقل وتعمل بشكل أسرع من الذاكرة الفلاش التقليدية (Flash memory).
تستشهد مينتينس أيضًا بثلاث خصائص إضافية للذاكرة المقاومة:
- تكلفتها في التصنيع أعلى من الذاكرة الفلاش.
- لديها إمكانات كبيرة لتحسين أنظمة الحوسبة، خصوصًا في الحوسبة العصبية عالية الأداء (neuromorphic computing).
- نظرًا لأنها تختلف تمامًا عن الآليات المعتمدة على أشباه الموصلات التي تعتمد عليها الذاكرات المتطايرة أو غير المتطايرة التقليدية، فإن خصائص الأمان لهذه الذاكرات التقليدية قد لا تنطبق على الذاكرة المقاومة.
بالنسبة لذاكرة المقاومة التجارية المتوفرة من Crossbar، تم ذكر عدة خصائص للتخزين الآمن، بما في ذلك:
- الحماية ضد القراءة (read-out protection).
- عدم الاستنساخ (unclonability).
- القدرة على بناء وظائف PUFs.
على الرغم من أن الباحثين يقدمون أيضًا طرقًا مبتكرة لتصميم PUFs بناءً على الذاكرة المقاومة، فإن مينتينس توصي بتحليل شامل لخصائص الأمان بناءً على نماذج المصدر المفتوح (open-source models) للذاكرة المقاومة قبل أن تصبح منتشرة على نطاق واسع.
الإلكترونيات المرنة
تتوقع مينتينس أن تصبح الإلكترونيات المرنة موضوعًا متزايد الأهمية في أبحاث أمان الأجهزة. هذه الرقائق الرفيعة والخفيفة للغاية مبنية على ركائز مرنة ميكانيكيًا مثل البلاستيك، وأوراق المعادن، والزجاج المرن، والورق. من مميزاتها:
- التكلفة المنخفضة (low cost).
- دورة تطوير قصيرة (short development cycle).
على الرغم من أنها ليست مناسبة للأنظمة عالية الأداء، تقول مينتينس إن الإلكترونيات المرنة مثالية لأجهزة إنترنت الأشياء (Internet of Things - IoT)، خصوصًا في:
- الأجهزة القابلة للارتداء (Wearables).
- التعبئة الذكية (smart packaging).
- اللوجستيات (logistics).
- مصادقة المنتجات (product authentication).
فيما يتعلق بـ RoTs المدمجة، تشير الأبحاث إلى أن الشرائح الإلكترونية المرنة المبنية على طباعة الحبر النفاث (inkjet printing) قد تستخدم توزيع الحبر العشوائي كمصدر للصدفة أو التباين الداخلي (intrinsic variation).
التنقيب أعمق
بالإضافة إلى مناقشة أنواع أخرى من RoTs للإلكترونيات المرنة، تطلق مينتينس دعوة للباحثين في مجالات الأمان (security)، وتصميم الأجهزة (hardware design)، والتقنيات الناشئة (emerging technologies) للتعاون في العمل الذي سيمكن من نشر هذه التقنيات بأمان على نطاق واسع لعدة تطبيقات.
