Bestimmte Informationen, wie beispielsweise Prüfungsfragen oder Angebotspreise, müssen bis zu einem vereinbarten Zeitpunkt unlesbar bleiben, selbst wenn sie bereits übermittelt wurden. Forscher des KAIST haben anhand von Schwankungen des elektrischen Stroms im Inneren eines Halbleiters eine Verschlüsselungsmethode entwickelt, bei der Informationen erst nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne offengelegt werden oder nur zu einem bestimmten Zeitpunkt korrekt gelesen werden können. Zusätzlich zu dem Schlüssel, der zur Wiederherstellung der ursprünglichen Informationen benötigt wird, fügt diese Technologie eine zweite Bedingung hinzu: den Zeitpunkt, zu dem die Informationen gelesen werden.
Das KAIST gibt bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kyung Min Kim vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik einen programmierbaren Zweizustands-Oxidtransistor (DUPOT) entwickelt hat, ein einzelnes Bauelement, bei dem Langzeit- und Kurzzeitspeicher unabhängig voneinander gesteuert werden können. Das Team nutzte den Transistor anschließend zur Umsetzung einer zeitbasierten Kryptografie.
Zwei Speicherzustände in einem Transistor
Ein Transistor ist ein kleines Halbleiterbauelement, das den elektrischen Stromfluss steuert. Der DUPOT besteht aus Oxidmaterialien, und seine beiden elektrischen Zustände lassen sich durch Anlegen entsprechender Spannungen unabhängig voneinander einstellen. Der Begriff „programmierbar“ bezieht sich auf diese Fähigkeit, das Bauelement in einen gewünschten Zustand zu versetzen.
Verschlüsselungsverfahren, bei denen die Zeit als Bedingung für den Zugriff auf Informationen dient, wurden bereits zuvor untersucht. Das Besondere an dieser Studie ist, dass der Zeitpunkt, zu dem Informationen gelesen werden können, durch physikalische Veränderungen im Halbleiter selbst bestimmt wird und nicht allein durch externe Takte oder Software.
Um dies zu erreichen, implementierten die Forscher zwei Arten von Speicher in einem einzigen Transistor: einen Langzeitspeicher, dessen Zustand über einen langen Zeitraum erhalten bleibt, und einen Kurzzeitspeicher, dessen Zustand sich mit der Zeit ändert. In diesem Zusammenhang bezieht sich „Speicher“ auf die Fähigkeit eines Bauelements, einen Zustand beizubehalten, der durch eine angelegte Spannung verändert wurde. Das Team nutzte den lang anhaltenden Zustand, um den Referenzwert für die Information festzulegen, und den zeitabhängigen Zustand, um zu steuern, wann die Zielinformation erscheint.
Herkömmliche Speichertransistoren speichern Informationen hauptsächlich durch eine Änderung der Schwellenspannung, also der Spannung, bei der Strom zu fließen beginnt. Der DUPOT hingegen kann sowohl die Schwellenspannung als auch den Sättigungsstrom – also den unter festen Betriebsbedingungen aufrechterhaltenen Strompegel – unabhängig voneinander steuern. Dadurch lassen sich die Spannung, bei der Strom zu fließen beginnt, und die Stärke des fließenden Stroms separat einstellen.
Die beiden Zustände entstehen durch unterschiedliche Mechanismen. Wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird – den Anschluss, der den Strom steuert –, werden Elektronen in Hafniumoxid (HfO2) eingefangen, einer isolierenden Schicht, die Strom nur schwer leitet. Dadurch verschiebt sich die Schwellenspannung. Da dieser Zustand lange Zeit erhalten bleibt, dient er als Langzeitspeicher.
Sauerstoffionen machen den Strom zur Zeitfunktion
Wird am Gate eine negative Spannung angelegt, wandern Sauerstoffionen (elektrisch geladene Sauerstoffteilchen) an die Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem Kanal, durch den der Strom fließt, wodurch sich der Sättigungsstrom verringert. Sobald die Spannung entfernt wird, verteilen sich die Sauerstoffionen allmählich neu und der Strom kehrt auf sein ursprüngliches Niveau zurück. Das Team nutzte diese Veränderung als Kurzzeitspeicher.
Mithilfe mehrerer Transistoren legten die Forscher fest, wie sich der Strom im Laufe der Zeit veränderte, und definierten für jedes Bauelement ein Auslesekriterium, um zwei Verschlüsselungsmethoden zu demonstrieren.
Bei der zeitverzögerten Verschlüsselung werden Informationen erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit sichtbar. Im Experiment vergrößerte sich der Stromunterschied zwischen dem Zielmuster und dem Hintergrund mit der Zeit, und der Buchstabe „T“ wurde nach 8,4 Sekunden lesbar.
Bei der zeitgebundenen Verschlüsselung können die korrekten Informationen nur innerhalb eines festgelegten Zeitfensters gelesen werden. Im Experiment erschien nach 1,5 Sekunden ein Ablenkungsmuster, der Buchstabe „K“, während der Zielbuchstabe „T“ zum festgelegten Zeitpunkt von 37 Sekunden erschien. Das gleiche Array zeigt daher je nach Zeitpunkt des Lesens unterschiedliche Informationen an. Diese Zeitpunkte wurden für das Experiment ausgewählt.
Das Team schlug außerdem ein Verschlüsselungsverfahren für Cloud-Umgebungen vor, in denen Daten auf Remote-Servern gespeichert werden, auf die über das Internet zugegriffen wird. Bei diesem Verfahren werden unterschiedliche Zeitbedingungen auf den in der Cloud gespeicherten Chiffretext und auf den vom Nutzer verwahrten Entschlüsselungsschlüssel angewendet. Chiffretext sind Daten, die in eine Form umgewandelt wurden, in der die ursprünglichen Informationen nicht mehr erkennbar sind, und ein Entschlüsselungsschlüssel ist die Information, die benötigt wird, um sie wieder zurückzuwandeln. In einer Demonstration unter Verwendung des Gerätearrays stellten die Forscher die ursprünglichen Informationen wieder her, indem sie den Chiffretext mit dem Schlüssel kombinierten, der jeweils zur jeweiligen Zeitbedingung passte.
Zeitfenster für Cloud-Daten und intelligente Geräte
Die Studie zeigt, dass ein Halbleiter mehr kann, als nur Informationen zu speichern: Er kann auch bestimmen, wann diese Informationen gelesen werden. Die Technologie könnte zum Schutz von Informationen eingesetzt werden, die vor einem bestimmten Zeitpunkt nicht offengelegt werden dürfen oder die nur unter bestimmten Zeitbedingungen lesbar sein sollen. Allerdings kann die Technologie den Zugriff auf bereits erlangte Kopien von Informationen nicht widerrufen.
„Die Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, dass sowohl das langanhaltende als auch das zeitabhängige Speichervermögen innerhalb eines einzelnen Transistors unabhängig voneinander gesteuert und für die zeitbasierte Verschlüsselung genutzt werden können“, sagte Professor Kyung Min Kim. Kim fügte hinzu, dass das Team plant, auf den zeitabhängigen Veränderungen des Halbleiters selbst aufzubauen, um die Technologie für die Sicherheit in der Cloud und bei intelligenten Geräten sowie für eine Reihe von Technologien zur Informationsverarbeitung weiterzuentwickeln.
Die aktuelle Studie hat die Machbarkeit einer zeitbasierten Verschlüsselung auf Array-Ebene nachgewiesen. Das Team plant, die Betriebsspannung zu senken und die Gleichmäßigkeit sowie Konsistenz der Bauelemente über wiederholte Betriebszyklen hinweg zu verbessern, damit die Bauelemente in einer Vielzahl von Umgebungen stabil arbeiten können. Anschließend wollen die Forscher die Technologie auf zeitbasierte Sicherheit und auf neuromorphe Bauelemente ausweiten, die die Funktionsweise und Vernetzung von Neuronen im Gehirn nachahmen.
