人間の指紋は一つとして完全に同じものはないとよく言われます。そのため警察は、容疑者と犯罪現場を結び付ける証拠として指紋をしばしば利用します。
シリコンチップも同様です。製造工程によって、チップには予測不可能で恒久的な、事実上複製不可能な微細なばらつきが生じます。
MIT発のスピンアウト企業Verayoは現在、こうした複製不可能なばらつきを使って、消費者向け製品タグに使われるシリコンチップに「指紋」を付けています。タグはモバイル端末でスキャンして認証でき、世界的な偽造品対策に役立てられます。
国連の2013年の報告書によると、電子機器、食品、医薬品など国際取引される商品の約2～5％が偽造品であり、政府や民間企業に年間数千億ドルの損失をもたらしています。
「これは『シリコン生体認証』を用いた低コストの認証です」と語るのは、MIT電気工学・コンピューターサイエンス学科のエドウィン・シブリー・ウェブスター教授であり、Verayoの共同創業者兼主任科学者でもあるSrini Devadasです。
現在世界各地で使われているVerayoの技術は、シリコンチップ内のこうしたばらつきに関するDevadasの画期的な研究に基づいています。このばらつきは「物理的複製不可能関数」（PUF）と呼ばれ、電気信号に対するチップの応答速度にごくわずかな差を生じさせます。
Verayoの技術では、こうした速度差に基づく128ビットの数値を製造済みチップに割り当て、クラウド上のデータベースに保存します。無線周波数識別（RFID）タグに組み込まれたチップは、モバイル端末またはリーダーでスキャンできます。端末はデータベースに照会し、タグが本物かどうかを判定します。認証のたびに異なる128ビットの数値が使われます。
Verayoは現在、消費者向け製品市場を対象としており、昨年、最大の顧客であるCanon Inc.と提携し、中国全土で販売されるカメラのRFIDタグにVerayoのチップを組み込みました。ほかの顧客には、ギフトカードやポイントカードの提供事業者が含まれます。この技術は偽造免許証やパスポートの識別にも利用できます。
ワイナリーで実証実験を進めている同社は、消耗品市場への参入も目指しており、実現すれば売上が大きく伸びる可能性があるとDevadasは言います。「このチップは5セントで作れますが、利益を上げるには大量に販売しなければなりません」と彼は語ります。
しかし、2013年以降、世界で4,000万個を超えるチップが販売されたとDevadasは付け加え、「これは製品化の成功であり、学術面での成功でもあります。私に言わせれば、素晴らしいことです」と述べます。
信号の競走
PUFはシリコンチップの製造中に形成されます。配線の太さにばらつきが生じ、半導体ウェハーの製造に用いられる化学気相成長プロセスによって、微細な突起ができます。こうしたばらつきに応じて、チップ内の異なる経路を電子が流れる際の抵抗が変わり、処理速度に差が生じます。
PUF技術は、チップ内で信号を「競走」させる仕組みです。入力の「チャレンジ」から生成された同一の電気信号を2つ、同時にチップへ送り、異なる2つの経路に割り当てます。信号はラッチに向かって競走し、ラッチがチップの処理が遅かった信号と速かった信号を測定します。これを「応答」と呼びます。一方の経路が速ければ出力は1、もう一方が速ければ0です。競走ごとに異なる入力信号を用いてこの処理を繰り返すと、128ビットの数値が得られます。これを数百回繰り返すこともできます。
「すると突然、どの競走でも同じ128ビットの結果が得られる確率は、ごくわずかになります」とDevadasは言います。
タグをスキャンすると、まずリーダーがタグを識別します。次に、データベースに保存されている多数のチャレンジの中からランダムなものを選び、チップに提示します。応答に96ビット以上の一致があれば、本物と見なされます。タグはCanonのカメラのパッケージに取り付けられており、消費者は近距離無線通信に対応したスマートフォンでスキャンできます。
2002年、DevadasらMITの研究者は、コンピューター・通信セキュリティ会議でシリコンPUF技術を紹介する画期的な論文を発表しました。この論文で名称が定められ、初の集積PUF回路が説明されました。今年3月、この論文は米国電気電子学会（IEEE）と計算機協会（ACM）からA. Richard Newton Technical Impact Awardを受賞しました。「この概念と技術が時を経ても価値を保っている証しです」とDevadasは語ります。
2004年までに、Devadasと学生たちはPUFを搭載した大型回路を数十個開発し、それぞれに「Harold」「Cameron」「Dennis」など人名を付けました。各回路の速度特性をコンピューター上のデータベースに保存し、専用リーダーで回路をスキャンすると、画面にその名前が表示されるようにしました。
このプロジェクトにより、DevadasはMITデシュパンデ技術革新センターから助成金を獲得し、さらに複数の政府助成金も得ました。これらの資金が、現在のシリコンバレー本社を置くVerayoの立ち上げを後押ししました。
揮発性の秘密を守る
Verayoは消費者向け分野に注力していますが、この技術にはほかの用途もあります。たとえば「揮発性秘密鍵」の生成です。これは電圧をかけて起動したときにのみ明らかになるとDevadasは言います。
PUFチップは秘密情報を保存しないため、固有の数値識別情報を明らかにするには電圧が必要であり、その情報を暗号鍵として保存できるとDevadasは説明します。「チップに電源を入れると、128ビットの数値が生成されますが、電源を切るとその数値は存在しません。［鍵を］取り出す方法がなければ、それが何なのか私にも分かりません」とDevadasは言います。
Devadasによると、この技術は、フラッシュメモリーや消去可能プログラマブル読み出し専用メモリー（EPROM）チップなど、従来の不揮発性データ記憶装置に比べて利点があります。こうした装置は電源を切ってもハッキング可能なデータを保持します。これらの不揮発性チップへの侵入も依然として難しいものの、電源が入った状態で内部を調べ、適切なチャレンジを与える必要があるPUF搭載チップほど難しくはないと彼は付け加えます。
「暗号技術はすべて、何かが秘密のまま保たれることに基づいています」とDevadasは言います。「PUFは、そうした秘密をより物理的に安全な方法で生成する手段です。」
国防総省から資金提供を受けたこの構想は、たとえばドローンがハッキングされたサーバーに接続しないようにしたり、ウェアラブル端末が許可されていないサーバーとデータを共有しないようにしたりするのに役立つ可能性があります。
Devadasによると、PUF技術の市場は近年大きく成長し、現在はほかの企業もこの分野で開発を進めています。しかし、この分野の先駆者であるDevadasは競争にひるむどころか、関心の高まりを喜んでいます。
「世界がようやくこの技術に注目し始めたと感じます。そして私たちは今もここにいる。それが素晴らしいところです」と彼は言います。
この記事は、 MIT Newsとの共同企画として掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：Rob MathesonはMIT Newsの寄稿ライターです。
画像：2007年1月9日、新竹の台湾積体電路製造（TSMC）で展示される12インチウェハー。REUTERS/Richard Chung。
