(57)【要約】【課題】より簡単な構成で指紋データ（認証データ）を生成し、認証に利用することが可能なデータ生成装置、認証装置、および認証システムを提供する。【解決手段】データ生成装置は、測定部と、生成部と、を備える。測定部は、量子状態を測定可能なデバイスが入力値に対して出力する出力値を測定する。生成部は、出力値に基づいて定められる、デバイスの量子状態を示すデータを、認証に用いる認証データとして生成する。【選択図】図２
2019220869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子状態を測定可能なデバイスが入力値に対して出力する出力値を測定する測定部と、
前記出力値に基づいて定められる、前記デバイスの量子状態を示すデータを、認証に用いる認証データとして生成する生成部と、
を備えるデータ生成装置。
【請求項２】
前記生成部は、複数の前記入力値に対する複数の前記出力値に基づく値それぞれを画素値とみなした画像データを前記認証データとして生成する、
請求項１に記載のデータ生成装置。
【請求項３】
前記デバイスは、ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧を印加する端子を備え、
前記測定部は、前記ゲート電圧および前記ソース・ドレイン間電圧をそれぞれ変化させたときに前記デバイスが出力する電流値を前記出力値として測定する、
請求項２に記載のデータ生成装置。
【請求項４】
前記出力値に基づく値は、前記電流値の微分値である、
請求項３に記載のデータ生成装置。
【請求項５】
前記生成部は、複数の前記入力値に対する複数の前記出力値の頻度を示すヒストグラムを前記認証データとして生成する、
請求項１に記載のデータ生成装置。
【請求項６】
前記デバイスは、ＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）トランジスタである、
請求項１に記載のデータ生成装置。
【請求項７】
前記量子状態は、量子ドットの単一電子現象である、
請求項１に記載のデータ生成装置。
【請求項８】
量子状態を測定可能なデバイスが複数の入力値に対して出力する複数の出力値に基づいて定められる、前記デバイスの量子状態を示す認証データをデータ生成装置から取得する取得部と、
前記出力値に基づく値を画素値とみなした画像データを複数の部分画像データに分割し、分割した複数の前記部分画像データの特徴量を、照合用の特徴量と比較することにより前記認証データを認証する認証部と、
を備える認証装置。
【請求項９】
前記デバイスは、ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧を印加する端子を備え、
前記出力値は、前記ゲート電圧および前記ソース・ドレイン間電圧をそれぞれ変化させたときに前記デバイスが出力する電流値であり、
前記認証部は、前記ゲート電圧に応じて前記画像データを複数の前記部分画像データに分割する、
請求項８に記載の認証装置。
【請求項１０】
前記認証部は、さらに、複数の前記部分画像データの少なくとも１つを、前記画素値が正であるか負であるかに応じて２つのデータに分割し、分割したデータの特徴量を、照合用の特徴量と比較する、
請求項８に記載の認証装置。
【請求項１１】
前記取得部は、前記出力値の測定条件を前記データ生成装置に対して指定し、前記測定条件に従って測定された前記出力値に基づいて定められる前記認証データを前記データ生成装置から取得する、
請求項８に記載の認証装置。
【請求項１２】
認証データを生成するデータ生成装置と、前記認証データを認証する認証装置と、を備える認証システムであって、
前記データ生成装置は、
量子状態を測定可能なデバイスが複数の入力値に対して出力する複数の出力値を測定する測定部と、
前記デバイスの量子状態を示すデータであって、複数の前記出力値に基づく値それぞれを画素値とみなした画像データを前記認証データとして生成する生成部と、を備え、
前記認証装置は、
前記画像データを前記データ生成装置から取得する取得部と、
前記画像データを複数の部分画像データに分割し、分割した複数の前記部分画像データの特徴量を、照合用の特徴量と比較することにより前記認証データを認証する認証部と、を備える、
認証システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、データ生成装置、認証装置、および認証システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信速度の向上およびクラウドコンピューティングの進展により、近接場型の無線通信（Near  Field  Communication：ＮＦＣ）の利用が急拡大している。ＮＦＣは、キャッシュカードおよびクレジットカードなどのＩＣカードのほか、スマートフォンに搭載される電子マネーや電車およびバスなどの乗車券等に使用されるスマートカードとして利用されることが一般的である。このようなＮＦＣでは、個人を特定するＩＤ特定機能におけるセキュリティの強化が課題である。また近年では、個人的なデータを保存するためだけに用いられてきたメモリカード等にもＩＤ特定機能が搭載されつつあるなど、携帯型デバイスにおけるＩＤ特定機能の高度化が技術的な課題となっている。このような背景の中で、個々のデバイスばらつきを“チップ指紋”として利用する研究開発が進められている。これらは、ＰＵＦ（Physically  Unclonable  Function）として知られている。
【０００３】
ＰＵＦの一例として、トランジスタのトラップを利用した技術が提案されている。この技術では、各トランジスタについて、与えられた電圧範囲内でトラップが検出できるかどうかで、１ビットの値を０とするか１とするかを決定する。すなわちトランジスタ１つが１ビットに対応する。例えば、１２８ビットのＩＤを取得するためには少なくとも１２８個のトランジスタが必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９７９４０７３号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J  Chen,  T  Tanamoto,  H  Noguchi,  Y  Mitani,  ”Further  investigations  on  traps  stabilities  in  random  telegraph  signal  noise  and  the  application  to  a  novel  concept  physical  unclonable  function  （PUF）  with  robust  reliabilities”,  VLSI  Technology  （VLSI  Technology）,  2015  Symposium  on,  T40-T41
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、多数のデバイス（トランジスタなど）を測定対象とする必要があるため、配線や回路が複雑になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のデータ生成装置は、測定部と、生成部と、を備える。測定部は、量子状態を測定可能なデバイスが入力値に対して出力する出力値を測定する。生成部は、出力値に基づいて定められる、デバイスの量子状態を示すデータを、認証に用いる認証データとして生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態にかかる認証システムのブロック図。
【図２】第１の実施形態にかかる電子装置の機能ブロック図。
【図３】クーロン・ダイヤモンド特性を表すデータの一例を示す図。
【図４】第１の実施形態にかかる認証装置の機能ブロック図。
【図５】第１の実施形態における認証処理の一例を示すシーケンス図。
【図６】クーロン・ダイヤモンド特性を表すデータを比較した例を示す図。
【図７】分割した３つの領域の例を示す図。
【図８】部分画像データを比較した例を示す図。
【図９】部分画像データを比較した他の例を示す図。
【図１０】優先度が高い領域のみを用いて認証した結果の例を示す図。
【図１１】第２の実施形態にかかる電子装置の機能ブロック図。
【図１２】第２の実施形態にかかる認証装置の機能ブロック図。
【図１３】生成されるヒストグラムの一例を示す図。
【図１４】変形例にかかる電子装置のハードウェア構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるデータ生成装置の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
上記のように、例えばトランジスタのトラップを利用する技術では、多数のトランジスタを利用することになり、測定するトランジスタ数に比例して、配線や回路などのオーバーヘッドが増加する問題があった。
【００１１】
そこで以下の実施形態では、１つまたは数個のトランジスタ内のトラップの量子状態を測定することにより、そのチップの指紋データを生成する。これにより、配線や回路のオーバーヘッドを削減することができる。なお指紋データは認証に用いられるため、認証データという場合がある。
【００１２】
また、一般にＰＵＦでは様々な環境下で測定が実行されて認証データがデジタル情報として抽出される。一般的な物理測定には、測定するときの温度や外部の電磁場環境（雑音）などの影響を無視できない場合が多い。これを補正するため、従来はエラー補正回路が利用されてきた。補正回路には例えばＢＣＨ（Bose  Chanduri  Hocquenguem）符号などの訂正方法がある。より正確にビット情報を訂正するには、複雑な補正回路が必要となり、回路のオーバーヘッドを増加させる原因となっていた。従って、補正回路の利用は最小限にとどめることが望ましい。
【００１３】
そこで、以下の各実施形態では認証データから特徴量を抽出し、抽出した特徴量を用いて認証する方式を適用する。これにより、外部環境の変化の影響を減ずることができる。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる電子装置を含む認証システムの概略構成例を示すブロック図である。図１に示すように、認証システムは、電子装置１００と認証装置２００とがネットワーク３００を介して通信可能に接続された構成を備える。ネットワーク３００は、インターネットや無線／有線ＬＡＮ（Local  Area  Network）などの種々のネットワークであってよい。
【００１５】
電子装置１００は、応用回路１１と、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）１２と、入力回路１３と、出力回路１４と、通信Ｉ／Ｆ（インタフェース）１５と、ＰＵＦ回路１６と、を備える。応用回路１１、ＣＰＵ１２、入力回路１３、出力回路１４、通信Ｉ／Ｆ１５およびＰＵＦ回路１６は、例えば内部バス１７を介して相互に接続されている。
【００１６】
応用回路１１は、各種処理を実行する回路である。応用回路１１はどのような機能を有する回路であってもよい。応用回路１１は、例えばメモリなどである。
【００１７】
ＣＰＵ１２は、電子装置１００内の各部を制御する制御部である。入力回路１３は、キーボードやマウス等の入力デバイスなどを含んで構成される。出力回路１４は、例えばＣＰＵ１２等から入力された情報をユーザへ向けて表示するディスプレイ、プリンタ、および、外部記憶部などの外部装置へ出力する外部インタフェースなどを含んで構成される。通信Ｉ／Ｆ１５は、ネットワーク３００を介した認証装置２００との通信を確立し得る通信インタフェースである。通信Ｉ／Ｆ１５は、認証装置２００から受信した情報を内部バス１７を介してＣＰＵ１２へ入力するとともに、ＣＰＵ１２から入力された情報をネットワーク３００を介して認証装置２００へ送信する。
【００１８】
ＰＵＦ回路１６は、例えばＣＰＵ１２からの命令に基づき、認証データ（指紋データ）を生成する。ＰＵＦ回路１６は、応用回路１１に内蔵されてもよい。ＰＵＦ回路１６は、量子状態の測定対象とするデバイス（ＭＯＳトランジスタなど）を含む。本実施形態では、測定対象とするデバイスは少なくとも１個備えられていればよい。測定不良などを考慮する場合であっても、測定対象とするデバイスは数個備えられていれば十分であり、従来のように例えば１２８個のデバイスを備える必要はない。１２８ビットのデータが必要な場合は、例えば特徴点を１２８個選び、その座標を数値化して使うことができる。
【００１９】
認証装置２００は、例えばネットワーク３００上に配置されたサーバであり、電子装置１００からの要求に応じて電子装置１００に対する認証を実行する。
【００２０】
認証装置２００は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）２２と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）２３と、ネットワーク３００に接続して通信を行う通信Ｉ／Ｆ２４と、記憶装置２５と、各部を接続するバス２６と、を備えている。記憶装置２５は、例えば、電子装置１００から送信された認証データと照合するための照合データを記憶する。記憶装置２５は、フラッシュメモリ、メモリカード、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）、および、光ディスクなどの一般的に利用されているあらゆる記憶媒体により構成することができる。記憶装置２５は、認証装置２００に内蔵または外付けされた記憶装置であってもよいし、ネットワーク３００上に配置されたファイルシステム等の記憶領域であってもよい。
【００２１】
次に、電子装置１００の機能構成について説明する。図２は、第１の実施形態にかかる電子装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、電子装置１００は、測定部１０１と、生成部１０２と、通信制御部１０３と、を備えている。
【００２２】
測定部１０１は、入力値に対して、量子状態を測定可能な予め定められたデバイスが出力する出力値を測定する。予め定められたデバイスは、例えば、ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧を印加する端子を備えるＭＯＳトランジスタである。入力値は、例えば、ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧である。出力値は、例えば入力されたゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧に対してデバイスが出力する電流値である。測定する物理量は電流値に限られるものではなく、デバイスの量子状態を表すことができれば、どのような物理量であってもよい。他の物理量の例は後述する。
【００２３】
生成部１０２は、認証装置２００による認証に用いられる認証データを生成する。例えば生成部１０２は、測定された出力値に基づいて定められる、デバイスの量子状態を示すデータを、認証に用いる認証データとして生成する。
【００２４】
後述するように、単一電子効果が生じるようなデバイスでは、ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧に応じてデバイスが出力する電流値が変化する。この変化の特性は、クーロン・ダイヤモンド特性と呼ばれる。生成部１０２は、このようなクーロン・ダイヤモンド特性を示すデータを、認証データとして生成してもよい。
【００２５】
生成部１０２は、画像データとして扱える形式で認証データを生成してもよい。例えば生成部１０２は、複数の入力値に対する複数の出力値に基づく値それぞれを画素値とみなした画像データを認証データとして生成してもよい。これにより、認証装置２００は、画像の照合用の機能を用いて、認証データ（画像データ）の認証を実行可能となる。
【００２６】
出力値に基づく値は、出力値自体であってもよいし、出力値に対して何らかの演算を行った値であってもよい。例えば電流値を測定した場合は、出力値に基づく値は、電流値自体であってもよいし、電流値の１階微分値または２階微分値であってもよい。
【００２７】
図３は、クーロン・ダイヤモンド特性を表すデータの一例を示す図である。図３の縦軸のＶｇおよび横軸のＶｄｄは、それぞれゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧を表す。内部の線状のデータが、各ゲート電圧およびソース・ドレイン間電圧を印加したときの微分コンダクタンスを表す。例えば大きさに応じて色相、彩度、および、明度の少なくとも１つを変更した値により微分コンダクタンスを表すことができる。微分コンダクタンスは、電流値の微分値に相当する、出力値に基づく値の一例である。
【００２８】
通信制御部１０３は、認証装置２００などの外部装置との間の通信を制御する、例えば通信制御部１０３は、認証装置２００に対する認証の要求、認証装置２００からのチャレンジ信号の受信、および、生成した認証データ（レスポンス信号）の送信などを制御する。
【００２９】
上記各部（測定部１０１、生成部１０２、および、通信制御部１０３）は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵなどのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のＩＣ（Integrated  Circuit）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。
【００３０】
図１の例では、例えばＰＵＦ回路１６が、測定部１０１および生成部１０２として機能し、ＣＰＵ１２が通信制御部１０３として機能してもよい。この場合、ＰＵＦ回路１６がデータ生成装置に相当する。ＰＵＦ回路１６を含む電子装置１００をデータ生成装置として解釈することもできる。上記各部をソフトウェアとして実現する場合は、ＰＵＦ回路１６はＣＰＵ１２とは異なるＣＰＵであってもよい。ＣＰＵ１２が上記各部に相当する機能を実行するように構成してもよい。
【００３１】
次に、認証装置２００の機能構成について説明する。図４は、第１の実施形態にかかる認証装置２００の機能構成の一例を示すブロック図である。図４に示すように、認証装置２００は、取得部２０１と、認証部２０２と、を備えている。
【００３２】
取得部２０１は、認証データを電子装置１００から取得する。取得部２０１は、例えば電子装置１００などの外部装置との間の通信を制御する機能を備えていてもよい。取得部２０１は、電子装置１００からの認証の要求を受信した場合、電子装置１００に対してチャレンジ信号を送信する。取得部２０１は、チャレンジ信号に対して電子装置１００が返信したレスポンス信号としての認証データを取得する。
【００３３】
認証部２０２は、認証データの認証を行う。認証データが画像データの形式で表されている場合は、認証部２０２は、画像の照合用の機能を用いて、認証データ（画像データ）と、予め記憶装置２５などに記憶された照合データとを比較することができる。認証部２０２は、例えば各画像から特徴量を抽出して比較し、両者の類似度が閾値以上の場合に、認証データが認証されたと判定する。画像の照合用の機能、および、特徴量の抽出方法は、従来から用いられているどのような方法を適用してもよい。エッジ、コーナー、および、フラットなどの特徴量を抽出する場合、これらの特徴量を抽出する画像上の領域（特徴点）の個数は、多いほうが有効である。例えば１００点以上の特徴点をとることが望ましい。
【００３４】
認証部２０２は、デバイスの物理的な特性を考慮して認証処理を行ってもよい。例えば認証部２０２は、画像データとみなした認証データを複数の部分画像データに分割し、分割した複数の部分画像データの特徴量を、照合用の特徴量と比較することにより認証データを認証してもよい。認証部２０２による認証処理の詳細は後述する。
【００３５】
上記各部（取得部２０１、および、認証部２０２）は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵなどのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のＩＣ（Integrated  Circuit）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。
【００３６】
次に、このように構成された第１の実施形態にかかる認証システムによる認証処理について説明する。図５は、第１の実施形態における認証処理の一例を示すシーケンス図である。
【００３７】
電子装置１００は、認証装置２００に対して自装置の認証を要求する（ステップＳ１０１）。認証装置２００は、電子装置１００（ＰＵＦ回路１６）に対してチャレンジ信号を送信する（ステップＳ１０２）。チャレンジ信号を受信した場合、ＰＵＦ回路１６（測定部１０１）は、測定対象となる特定のデバイス（トランジスタなど）の測定を行う（ステップＳ１０３）。ＰＵＦ回路１６（生成部１０２）は、測定した電流値に基づいて認証データを生成する（ステップＳ１０４）。電子装置１００（通信制御部１０３）は、生成された認証データを含むレスポンス信号を認証装置２００に送信する（ステップＳ１０５）。認証装置２００は、送信された認証データと、事前に記憶された照合用のデータ（クーロン・ダイヤモンドのデータなど）とを比較する認証処理を行う（ステップＳ１０６）。電子装置１００から送信された認証データと照合用のデータとの類似性が認められれば、電子装置１００（ＰＵＦ回路１６）の認証が成功したことになる。
【００３８】
次に、量子状態を測定するデバイスの特性について説明する。トランジスタなどの電子デバイスは、微細化することにより、電子１つ１つの挙動が現れてくる。特に微小な半導体の領域を作製すれば、電子の数がカウントできるようになる。この現象が単一電子現象であり、１９９０年代から盛んに研究されるようになってきた。微小な半導体領域を作製すれば、電子間にはパウリの排他原理が働くので、同じスピンを持った電子は１つしかその空間に入ることができない。電子の輸送が遮断されることからクーロン・ブロッケイドとも呼ばれる。
【００３９】
通常のＭＯＳトランジスタでは、印加するゲート電圧を増加させると、クーロン・ダイヤモンド特性を示すデータは、サブスレッシュホルド領域、線形領域、および、飽和領域に分けられる。サブスレッシュホルド領域は、電流がソース・ドレイン間電圧に対して指数関数的に増加する領域である。線形領域は、電流がソース・ドレイン間電圧に対して線形に増加する領域である。飽和領域は、ソース・ドレイン間電圧に対する電流の依存性が弱くなる領域である。
【００４０】
クーロン・ダイヤモンド特性を効果的に観察するためには、介在するトラップの数が少ないほうが好ましい。印加する電圧が大きくなると、電子輸送に関わるトラップの数も増えることから、ＭＯＳトランジスタで特にクーロン・ブロッケイド効果が再現性よく観察されるのは低電圧領域となる。
【００４１】
一方、通常の画像処理機能では、画像の輪郭などの形状を主に特徴量として抽出している。通常の画像では様々な色が存在するため、同様の形状の領域が含まれていたとしても、それらの領域の色がそれぞれ異なれば、領域を区別することができる。ところが、クーロン・ダイヤモンド特性を表すデバイスのデータなどは、単調な構造が繰り返されることが多いため、複数のデータ間でこれらの構造を適切に判別することが難しい。
【００４２】
図６は、クーロン・ダイヤモンド特性を表すデータを比較した例を示す図である。図６は、通常のトランジスタのトラップにより生じる単一電子効果を示す例である。図６のデータ６０１および６０２は、同じデバイスであるが、基板バイアスが異なった場合のクーロン・ダイヤモンド特性を示す。データ６０１およびデータ６０２内の微分コンダクタンスを結ぶ各線は、画像処理により抽出された特徴量のうち類似すると判定された特徴量間を対応づける線である。
【００４３】
図６の線６１１に示すように、本来対応すべき特徴点とは異なる特徴点が対応づけられた特徴点が多く含まれている。このように単調な数値データをそのまま画像データとみなして処理しても、通常の画像処理機能では適切に類似性を判定することが難しい場合がある。
【００４４】
この原因としては、通常の画像処理機能では、エッジ、コーナー、および、フラットの３つの特徴量を抽出して評価する点が挙げられる。単一電子現象などを示す電流電圧特性では、ギザギザ形状などの類似する形状が繰り返されているため、通常の特徴量抽出を単純に適用すると適切に類似性を判定できない。
【００４５】
例えばギザギザ形状では、エッジが集中する形状（コーナーとなる形状）が類似することが多いため、コーナーにより特徴を対応づけることが困難となる。また線状のデータであるため、フラットの面積が広くなり、フラットにより特徴を対応づけることが困難となる。また色彩の変化が少ないため、色彩により特徴を対応づけることが困難となる。
【００４６】
そこで本実施形態では、デバイスの物理的な特性、および、画像処理機能の性質を考慮して認証データの生成および／または認証処理を実行する。
【００４７】
まず、クーロン・ダイヤモンド特性を示すデータは、ゲート電圧の強弱によって、典型的には図７に示すような以下の３つの領域に分けることができる。
・領域（１）：低ゲート電圧領域で、最初の、クーロン・ダイヤモンドが閉じるまでの電圧領域
・領域（２）：最初のクーロン・ダイヤモンドが閉じてから、多数の小さなクーロン・ダイヤモンドが生じるまでの電圧領域
・領域（３）：多数の小さなクーロン・ダイヤモンドが生じる領域
【００４８】
トラップの数が少ない場合には、領域（３）が現れないこともある。領域（１）は、ソース・ドレイン間に電流が流れ始めるサブスレッシュホルド領域に当たる。この領域では、ソース・ドレイン間の電流が印加電圧に対して指数関数的に増加する。また、この領域ではクーロン・ダイヤモンドが大きく、さらに、量子効果が観測される場合もある。
【００４９】
量子効果は、例えば、トラップのエネルギー準位が離散的な場合に見られる共鳴トンネル効果である。すなわち、トラップの準位が共鳴準位となって、負性抵抗が見られるのである。図７では、破線７０１で囲った部分が、負の値となった微分コンダクタンスの例として示されている。負の微分コンダクタンスは、例えば正の微分コンダクタンスとは異なる色で表現されてもよい。
【００５０】
さらに印加する電圧を高くすると、クーロン・ダイヤモンドが閉じて、領域（１）より小さいクーロン・ダイヤモンドが生じる部分が観測される。この領域（２）は、電流電圧特性に関するトラップ数が２から３個以下の領域であり、安定したクーロン・ブロッケイドを観測することができる。
【００５１】
さらに印加する電圧を高くすると、多くの小さなクーロン・ダイヤモンドを観測することができる。この領域（３）は電圧が高いために、多数のトラップ準位を介した電流となるために多数のクーロン・ダイヤモンドを観測することができる。
【００５２】
上記のような領域の特性を考慮し、例えば認証装置２００の認証部２０２は、認証データとしての画像データを各領域に相当する複数の部分画像データに分割し、部分画像データを認証に用いてもよい。例えば認証部２０２は、領域（１）〜（３）に相当する３つの部分画像データを生成する。認証部２０２は、これらの部分画像データのうち１つ以上を用いて認証を行う。部分画像データを用いる場合は、認証部２０２は、各領域に対応する照合用のデータを事前に準備しておけばよい。
【００５３】
部分画像データへの分割は、各領域の特性を考慮することにより実現できる。例えば、認証部２０２は、ゲート電圧Ｖｇが最も低い領域から高い領域に向けて微分コンダクタンスの変化を解析し、クーロン・ダイヤモンドが閉じたときのゲート電圧を、領域（１）と領域（２）とを分ける電圧と判定することができる。また認証部２０２は、多数の小さなクーロン・ダイヤモンドの発生が開始したときのゲート電圧を、領域（２）と領域（３）とを分ける電圧と判定することができる。
【００５４】
認証部２０２は、一部の領域に対応する部分画像データのみを用いてもよい。例えば認証部２０２は、クーロン・ダイヤモンドがより明確に観察され、量子効果も観察されうる領域（１）に相当する部分画像データのみを認証に用いてもよい。認証部２０２は、量子効果が観察された部分とその他の部分とを分割した部分画像データを生成してもよい。例えば認証部２０２は、上記のように負の微分コンダクタンスを含む部分画像データと、正の微分コンダクタンスを含む部分画像データの２つに分割してもよい。そして認証部２０２は、量子効果を表す負の微分コンダクタンスを含む部分画像データのみを認証に用いてもよい。
【００５５】
図８は、負の微分コンダクタンスを含む部分画像データを比較した例を示す図である。図８のデータ８０１および８０２は、同じデバイスであるが、基板バイアスが異なった場合の部分画像データを示す。図９は、負の微分コンダクタンスを含む部分画像データを比較した他の例を示す図である。図９のデータ９０１および９０２は、異なるデバイスで、基板バイアスが異なった場合の部分画像データを示す。図８に示すように、同じデバイスは対応する特徴点がより高精度に対応づけられている。図９に示すように、異なるデバイス間では、誤って対応づけられた特徴点が多数含まれている。
【００５６】
トラップが少ない場合には、トランジスタの動作領域と直接に関係付けを行うことができる場合がある。すなわち、トンネリングに関わるトラップ数が１個程度の場合は、トランジスタのサブスレッシュホルド領域での単一電子現象として、上記のような共鳴トンネル効果を示す領域も観測される。この動作領域が上記の領域（１）に相当する。
【００５７】
さらに印加する電圧を高くすると、ソース・ドレイン間の電流が印加電圧に比例して増加する線形領域が現れる。トランジスタの線形領域では、サブスレッシュホルド領域よりも小さいが形のはっきりしたクーロン・ダイヤモンドが観測される。この領域が上記の領域（２）に相当する。
【００５８】
さらに印加する電圧を高くしたトランジスタの飽和領域では、多数の小さなクーロン・ダイヤモンドが観測される。この領域が上記の領域（３）に相当する。この領域では、電圧が高いために、多数のトラップ準位を介した電流となる。この結果、多数のクーロン・ダイヤモンドを観測することができる。
【００５９】
認証部２０２は、各領域に優先度を付与して、優先度が高い順に認証を実行してもよい。例えば、領域（１）、領域（２）、および、領域（３）の順に高い優先度を付してもよい。図１０は、優先度が高い領域（１）のみを用いて認証した結果の例を示す図である。図１０のデータ１００１および１００２は、同じデバイスであるが、基板バイアスが異なった場合のクーロン・ダイヤモンド特性を示す。図１０の例では、全領域を用いた図６と比較して、特徴量の抽出の精度が上がっていることがわかる。
【００６０】
認証部２０２が認証の可否を判定するために用いる類似度はどのような方法で算出されてもよい。認証部２０２は、値が小さいほど類似する度合いが大きいことを示す類似度を用いてもよいし、値が大きいほど類似する度合いが大きいことを示す類似度を用いてもよい。認証部２０２は、例えば算出した類似度と閾値とを比較し、比較結果に応じて、認証の可否を判定する。複数の領域を用いる場合、認証部２０２は、優先度などに応じて定められる領域ごとの重みを考慮して各領域の類似度を統合した類似度を用いて認証の可否を判定してもよい。
【００６１】
多数のトラップが介在する領域（３）では、多数のトラップのすべてが常に電流電圧特性に寄与するわけではなく、測定ごとにばらつきが大きい。従って、認証部２０２は、領域（１）と領域（２）を用いて認証処理を行ってもよい。
【００６２】
領域（３）を用いる場合、認証部２０２は、複数回の測定による測定値の平均値を認証に用いてもよい。例えば認証部２０２は、必要な回数の測定を電子装置１００（ＰＵＦ回路１６）に要求し、電子装置１００から送信された複数回の測定結果の平均値を算出してもよい。電子装置１００のＰＵＦ回路１６が平均値を算出して認証装置２００に送信するように構成してもよい。
【００６３】
サブスレッシュホルド領域で量子トンネリングが生じる部分は、古典的な電流成分と比べて信号が弱いことが多い。従って、特徴量を抽出する際には、解像度を増やして特徴量を比べることが望ましい。例えば認証部２０２は、測定時にゲート電圧および／またはソース・ドレイン間電圧を変化させる幅を、領域（１）では小さくすることを電子装置１００（ＰＵＦ回路１６）に指定可能としてもよい。
【００６４】
認証装置２００に送信された１回のデータで必要となる測定結果が得られない場合もある。この原因には、ネットワーク３００の通信状況の悪化、および、データ送信中の通信回線の切断なども含まれる。このような状況も考慮し、必要となるデータの数などの測定データを測定する条件は、認証装置２００から制御できることが望ましい。そこで、例えば認証装置２００の取得部２０１が、測定条件を電子装置１００に対して指定し、測定条件に従って測定された出力値に基づいて定められる認証データを電子装置１００から取得するように構成してもよい。測定条件は、例えば、電圧の変化幅、測定の回数（認証データの個数）、平均値を算出するか否か、などを含む。
【００６５】
測定対象とするデバイスは、量子状態を測定可能なデバイスであればどのようなデバイスであってもよい。例えば、窒素が多いゲート絶縁膜、および、誘電率の大きいＨｉｇｈ−Ｋ材料からなるゲート絶縁膜は、クーロン・ダイヤモンドの様子が観察されやすい。電流電圧特性に現れる特徴的なトラップが存在するためである。従って、このような絶縁膜を含むデバイスを対象としてもよい。
【００６６】
半導体を微細化した量子ドット構造の単一電子素子を用いてもよい。この場合、量子ドットの数は１つとは限らず多数でもかまわない。量子ドットの数が増えれば、クーロン・ダイヤモンドは複雑になるが、より個々のデバイスの特徴を反映するようになり、指紋データ（認証データ）として利用することが可能となる。
【００６７】
これまでは量子効果が発現する部分を共鳴トンネル効果として説明した。共鳴トンネル効果には、一般的にいくつかの電子が同時にトンネリングを行うコトンネリング（cotunneling）などの高次のトンネリングが含まれることがある。コトンネリング部分は、高次の効果であるため、確率的に起こることが多い。従って、これらの部分を微分コンダクタンスから除いて認証に用いてもよい。例えば認証部２０２は、微分コンダクタンスの値のうち一定以下の値を削除することでこれを実現できる。一定以下の値を削除することは、例えば、クーロン・ダイヤモンド特性を示すデータのうち、鮮明でない部分を削除することに相当する。これにより、よりシャープなクーロン・ダイヤモンドを用いて認証を行うことができる。
【００６８】
単一電子現象は、ＭＯＳ以外でもＮＡＮＤフラッシュメモリでも観測できる。また単一電子現象は、トラップを用いた３次元メモリでも観測できる。このようなメモリについても、単一電子現象の特性を指紋データ（認証データ）とすることができる。
【００６９】
単一電子現象は、量子ドット系一般でも観測することができる。量子ドットは、横型量子ドット、および、縦型量子ドットのいずれであっても本実施形態の手法を適用できる。量子ドットは、ＧａＡｓなどＧａを含む材料、Ｐを含む材料、ＳｉＧｅ、カーボン、グラフェン、または、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉを構成要素とした合成材料などの、シリコンだけでなく様々な材料で設計することができる。またシリコン中のＰ、Ｂなどのドーパントを介した単一現象でも利用することができる。
【００７０】
次に、電流値以外の物理量の例について説明する。このような物理量としては、電子スピンの状態、キャパシタンス、インダクタンス、周波数、音波、および、磁気抵抗などが挙げられる。
【００７１】
半導体中の電子の量子状態としては、電荷状態、および、電子スピンが挙げられる。電子スピンは量子ビットとしても使用される。従って、電子スピンの状態を測定することで量子状態を示すデータを得ることができる。なお電子スピンの状態が関係するスピン・ブロッケイドによってもクーロン・ダイヤモンドで測定できるので、上記実施形態の手法をそのまま利用することができる。
【００７２】
キャパシタンスは、ＣＶ（Capacitance  Voltage）測定により、ゲート電圧とソース・ドレイン間電圧との関係を示す二次元図を得ることができる。インダクタンスは、超伝導量子回路などのフラックスをかけた磁場と電流との関係から測定することができる。周波数は、トランジスタなどに高周波をかけて、電流との二次元図を得ることができる。電流および電圧に対する、半導体の表面に流れる音波の特性を測定して用いることができる。ＭＲＡＭなどの磁気抵抗素子では、磁場をかけたときのヒステレシスを利用することができる。
【００７３】
このように、第１の実施形態では、少数のデバイス（トランジスタなど）の量子効果を利用したデバイス認証技術を提供する。この方法により、多数のデバイスの電流電圧測定を測定しなくても１個または少数のデバイスの測定により、個別のデバイス、さらにそのデバイスを含んだチップを識別することが可能となる。また、本実施形態では通常のデバイスを用いるために製造コストが増加しない。
【００７４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、量子効果を表すヒストグラムの形式で表される認証データを生成し、認証に用いる。
【００７５】
図１１は、第２の実施形態にかかる電子装置１００−２の機能構成の一例を示すブロック図である。図１１に示すように、電子装置１００−２は、測定部１０１と、生成部１０２−２と、通信制御部１０３と、を備えている。
【００７６】
第２の実施形態では、生成部１０２−２の機能が第１の実施形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる電子装置１００のブロック図である図２と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。
【００７７】
生成部１０２−２は、複数の入力値（ゲート電圧、ソース・ドレイン間電圧など）に対する複数の出力値（電流値、微分コンダクタンスなど）の頻度を示すヒストグラムを認証データとして生成する。例えば生成部１０２−２は、クーロン・ダイヤモンド特性を示すデータのうち、量子効果を表す、負の微分コンダクタンスを抽出し、負の微分コンダクタンスの値ごとの出現頻度を示すヒストグラムを生成する。
【００７８】
図１２は、第２の実施形態にかかる認証装置２００−２の機能構成の一例を示すブロック図である。図１２に示すように、認証装置２００−２は、取得部２０１と、認証部２０２−２と、を備えている。
【００７９】
第２の実施形態では、認証部２０２−２の機能が第１の実施形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施形態にかかる認証装置２００のブロック図である図４と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。
【００８０】
認証部２０２−２は、ヒストグラムの形式で表された認証データを照合して認証する点が、第１の実施形態の認証部２０２と異なっている。例えば認証部２０２−２は、ヒストグラムのビンごとに頻度の値を比較し、一致する度合いが閾値より大きい場合に、２つのヒストグラムに対応するデバイスの認証が成功したと判定する。
【００８１】
なお認証部２０２−２がクーロン・ダイヤモンド特性を示すデータからヒストグラムを生成するように構成してもよい。この場合、生成部１０２−２は、例えばクーロン・ダイヤモンド特性を示すデータの生成までを実行し、このデータを認証装置２００−２に送信すればよい。
【００８２】
以下に、ヒストグラムの生成方法の詳細について説明する。
【００８３】
特に量子トンネリングの部分は、測定ごとにばらつく可能性がある。従って、例えば１回から数回の測定値に基づく認証データを用いる方法では、高精度に認証できない場合が生じうる。上記のように、多数の測定値の平均を用いることも可能であるが、この場合は測定および平均値算出の負荷が増加する。
【００８４】
そこで、本実施形態では、量子効果の部分を選択し、量子効果を表す部分の頻度を示すヒストグラムを認証データとして生成する。ヒストグラムを認証データとして使用する方法では、多数の測定を実行して平均化する必要がない。
【００８５】
図１３は、生成されるヒストグラムの一例を示す図である。ヒストグラム１３０１、１３０２は、それぞれ異なる２つのデバイスに対応するヒストグラムである。ヒストグラムの横軸は、微分コンダクタンスの値を表す。ヒストグラムの縦軸は、各微分コンダクタンスの値の出現頻度を表す。出現頻度は、例えば１つのクーロン・ダイヤモンド特性を示すデータ内での出現頻度である。
【００８６】
図１３では、同じデバイスに対して基板バイアスが異なったときのデータを重ねたヒストグラムが示されている。例えば黒で塗り潰された箇所が、基板バイアスが異なることにより出現頻度に差異が生じた箇所を表す。ヒストグラム１３０１、１３０２のいずれも、差異が生じた箇所の割合は小さくなっている。すなわち、基板バイアスが異なっても同じデバイスであることが判定可能となっている。また、ヒストグラム１３０１とヒストグラム１３０２との間では、全体の形状が異なっている。すなわち、対応する２つのデバイスは異なるデバイスであることが判定可能となっている。
【００８７】
クーロン・ダイヤモンド特性を示すデータ内での正の部分と負の部分の区別は、認証装置２００−２（認証部２０２−２）が実行してもよいし、ＰＵＦ回路１６のチップ内で、例えば内部プロセッサが実行してもよい。ＩｏＴ（Internet  of  Things）向けチップでは、このような計算処理は認証装置２００−２側で行うことが望ましい。
【００８８】
このように、第２の実施形態では、第１の実施形態のような特徴量の抽出処理が不要となるため、より簡便で処理負荷の小さい認証処理を実現できる。
【００８９】
（変形例）
測定対象とするデバイスは、ＰＵＦ回路１６内に含まれる必要はない。図１４は、変形例にかかる電子装置１００−３のハードウェア構成例を示す図である。図１４に示すように、電子装置１００−３では、測定対象とするデバイス１８−３が応用回路１１−３の中に埋め込まれている。ＰＵＦ回路１６−３は、このデバイス１８−３を対象として例えば電流値を計測し、認証データを生成する。
【００９０】
このように、測定対象とするデバイスは、電子装置内の様々な部分に埋め込むことができる。これにより、リバースエンジニアリングに対する耐性を高めること、すなわち、セキュリティ性能を向上させることができる。
【００９１】
以上説明したとおり、第１から第２の実施形態によれば、より簡単な構成で指紋データ（認証データ）を生成し、認証に利用することが可能となる。
【００９２】
第１または第２の実施形態にかかる装置（電子装置、認証装置）で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。
【００９３】
第１または第２の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ（Compact  Disk  Read  Only  Memory）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ（Compact  Disk  Recordable）、ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録してコンピュータプログラムプロダクトとして提供されるように構成してもよい。
【００９４】
さらに、第１または第２の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、第１または第２の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
【００９５】
第１または第２の実施形態にかかる装置で実行されるプログラムは、コンピュータを上述した装置の各部として機能させうる。このコンピュータは、ＣＰＵがコンピュータ読取可能な記憶媒体からプログラムを主記憶装置上に読み出して実行することができる。
【００９６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９７】
１１  応用回路
１２  ＣＰＵ
１３  入力回路
１４  出力回路
１５  通信Ｉ／Ｆ
１６、１６−３  ＰＵＦ回路
１７  内部バス
１８−３  デバイス
２１  ＣＰＵ
２２  ＲＯＭ
２３  ＲＡＭ
２４  通信Ｉ／Ｆ
２５  記憶装置
２６  バス
１００、１００−２、１００−３  電子装置
１０１  測定部
１０２、１０２−２  生成部
１０３  通信制御部
２００、２００−２  認証装置
２０１  取得部
２０２、２０２−２  認証部
３００  ネットワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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