Hardware-Verschlüsselung

Kohlenstoff-Nanoröhren bilden Krypto-Chip

| Autor: Stephan Augsten

Schematischer Aufbau des selbst-assemblierenden Krypto-Chips.
Schematischer Aufbau des selbst-assemblierenden Krypto-Chips. (College of Nanoscale Science and Engineering (Albany, NY) / IBM)

Kohlenstoffnanoröhrchen gelten als große Hoffnung in der Halbleiter-Industrie. Doch je nach Struktur können sie bei der Herstellung auch Supraleiter entstehen. Diesen Zufall machen sich nun Forscher bei der Hardware-Verschlüsselung zunutze.

Nanoröhren aus Kohlenstoff lassen sich auf verschiedene Weise herstellen, per Lichtbogen- oder Laserverdampfung sowie per Gaszersetzung. Bei diesen Reaktionen entstehen sowohl halbleitende als auch metallisch leitende Röhren bis hin zu Supraleitern.

In der Halbleiter-Industrie versucht man sich daran, den Anteil der halbleitenden Nanoröhren zu erhöhen. Dann bleibt aber noch das Problem, dass die Anordnung der Kohlenstoffnanoröhren auf dem Trägermaterial zufällig ist.

Diese beiden genannten Zufallsprinzipien haben sich ein Team aus jungen Wissenschaftlern und IBM-Forschern zunutze gemacht, wie sie in der „Nature Nanotechnology“ berichten. Sie haben einen Chip mit zufällig angeordneten Schaltkreisen hergestellt, der kryptographische Informationen generiert, also der Hardware-basierten Verschlüsslung dient.

Nicht ganz zufällige Zufallsverteilung

Der Herstellungsprozess für den Chip ist nicht ganz trivial, das Magazin ArsTechnica hat ihn aber recht verständlich umschrieben. Vereinfacht gesagt ummantelten die Forscher die Nanoröhrchen mit Tensiden, um anschließend eine negativ geladene Wasser-Nanoröhren-Suspension herzustellen.

Als Trägermaterial wurde positiv geladenes Hafniumdioxid verwendet, während an das benachbarte Siliziumdioxid auf dem Chip eine negative Spannung angelegt wurde. So gelang es, besonders ansprechende Bereiche für die Nanoröhren zu schaffen. Auf dieser Grundlage sorgten die Forscher dafür, dass durchschnittlich die Hälfte bis hin zu etwa 60 Prozent der logischen Gates auf dem Chip mit den Nanoröhrchen bestückt wurde.

Während man nun gut vorhersagen konnte, dass sich die Kohlenstoffnanoröhren bevorzugt an den Gates anlagern würden, blieb die lokale Verteilung rein zufällig. Und ebenso wenig ließ sich voraussagen, ob die Nanoröhre halb oder metallisch leitende Eigenschaften hatte. Somit ergeben sich für ein Gate gleich drei potenzielle Zustände (Halbleiter-/Leiter-besetzt, nicht besetzt), so dass sich auch die Speicherdichte erhöht.

All diese Eigenschaften sorgten letztlich dafür, dass sich bereits mit einem 64-Bit-basierten Chip schwer nachvollziehbare Schlüssel generieren ließen. In 99 Prozent aller Fälle unterschieden sich zwei erzeugte Schlüssel in über der Hälfte ihrer Bits. Die Qualität der Zufallsbits wurde im Übrigen durch eine Test-Software des NIST (National Institute of Standards and Technology) verifiziert.

Weder Analyse noch Duplizierung möglich

Der „gewachsene“ Chip hat gegenüber anderen Krypto-Chips den Vorteil, dass er sich nicht analysieren lässt. Bei einem Snooping-Versuch müssten die Schaltkreise freigelegt und abgebildet werden. Eine entsprechende Analyse mit aktuellen Mitteln, beispielsweise das schichtenweise Abtragen, zöge aber unweigerlich die Zerstörung der Nanoröhren nach sich.

Auch ein Herstellungsprozess unter gleichen Bedingungen führt wie erwähnt nicht zum gleichen Ergebnis. Somit könnten die Nanoröhren-Chips auf Dauer eine ernsthafte Alternative zu den bisherigen Kryptochips bieten.

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