Dual-doped Reconfigurable devices: A Key Element for Strengthening Hardware Integrity and Enhancing Logic Defense

Abstract

El proyecto PDC2023-145915-I00, denominado DRAKE-SHIELD (Dual-doped Reconfigurable devices: A Key Element for Strengthening Hardware Integrity and Enhancing Logic Defense), tiene como objetivo principal demostrar la viabilidad experimental de dispositivos reconfigurables basados en la arquitectura de doble dopado, prescindiendo de uniones Schottky metal-semiconductor, orientados a aplicaciones de seguridad hardware. Estos dispositivos, concretamente transistores de efecto campo, poseen la capacidad de operar como transistores tipo N (conducción por electrones) o tipo P (conducción por huecos), dependiendo de la polarización aplicada a un terminal de control denominado polarity gate (PG). Para validar este concepto, se ha llevado a cabo un proceso de optimización del dispositivo mediante simulaciones avanzadas utilizando herramientas TCAD, seguido de su fabricación en una tecnología CMOS avanzada (TSMC 65 nm). Debido a ciertas limitaciones inherentes a las tecnologías de fabricación estándar, se ha optado por una implementación alternativa compuesta por cuatro transistores convencionales, la cual permite demostrar la funcionalidad del dispositivo y su aplicabilidad en distintos contextos. Entre dichas aplicaciones destacan la lógica reconfigurable mediante puertas polimórficas y mecanismos de seguridad hardware como logic locking y camouflaging. Los resultados experimentales obtenidos validan la capacidad de reconfiguración del dispositivo, demostrando su funcionamiento alternativo como transistor tipo N o tipo P en función de la polaridad impuesta por el terminal PG. Las curvas características de corriente I-V evidencian cómo dicho terminal modula eficazmente la conducción de los distintos tipos de portadores. Ensayos adicionales realizados sobre circuitos más complejos han permitido implementar puertas lógicas funcionales, tales como inversores, así como puertas polimórficas tipo NAND/NOR, XOR/XNOR e Inverter/Buffer, cuya combinación permite la síntesis de cualquier circuito lógico. Como demostración de una aplicación avanzada, se ha implementado un circuito de seguridad hardware que protege un diseño lógico mediante técnicas de logic locking basadas en dispositivos reconfigurables y el uso de una clave criptográfica. El resultado demuestra que, en ausencia de la clave adecuada, un posible atacante no puede restaurar la funcionalidad original del circuito, lo que garantiza su inutilización efectiva frente a intentos de intrusión o copia no autorizada.