Bekämpfung von Fälschungen im Nanobereich

Die Bedrohung für die Weltwirtschaft, die nationale Sicherheit und die menschliche Gesundheit im Zusammenhang mit Produktfälschungen und Verletzungen des geistigen Eigentums hat in den letzten Jahren besonders alarmierend zugenommen. Die Globalisierung und das Wachstum des Internets sind die Hauptschuldigen, die am häufigsten für den raschen Anstieg des Handelsvolumens mit gefälschten und nachgeahmten Produkten verantwortlich gemacht werden, das derzeit fast 10% aller weltweit verkauften Waren ausmacht.

Ironischerweise war die Halbleiterindustrie bei all ihren Hightech-Fortschritten extrem anfällig für gefälschte Elektronik. Tatsächlich können nun gefälschte Komponenten so präzise geklont werden, dass es fast unmöglich ist, sie vom Originalartikel zu unterscheiden. Trotz einer Fülle von verfügbaren Techniken zur Fälschungssicherheit wie Hologramme, manipulationssichere Verschlüsse, Tags, Markierungen und Radiofrequenz-Identifikationsetiketten können die meisten von ihnen, so kostspielig und anspruchsvoll sie auch sein mögen, innerhalb von 18 Monaten kopiert werden. Da es keine Silberkugellösung für Fälschungen gibt, ist die Entwicklung neuer Ansätze und die Verbesserung der derzeitigen Technologien dringend erforderlich.

Zu diesem Zweck könnte die Nanotechnologie einen Beitrag zur Verhinderung des illegalen Kopierens von Produkten und geistigem Eigentum leisten, indem sie hochsichere Methoden zur Bekämpfung von Fälschungen bereitstellt, die sich beispielsweise auf natürlich vorkommende physikalische Parametervariationen im Nanobereich oder die Herstellung verdeckter Nanoeigenschaften stützen, die für das Auge völlig unsichtbar sind.

Bei Laseroberflächen-Authentifizierungsanwendungen, die häufig in der Biometrie für Dokumente und Waren eingesetzt werden, umfasst der Identifikationsprozess die optische Überprüfung der Oberflächenrauheit eines Objekts. Die erhöhte Komplexität und Einzigartigkeit der nanoskaligen Oberflächenmerkmale ist praktisch nicht kontrollierbar und macht diese Fingerabdrücke immun gegen Angriffe. Ein weiteres starkes Identifikationswerkzeug ist das Quantenpunkt-(QD)-Tagging, das in den bioanalytischen Wissenschaften und im Bioengineering zur optischen Kodierung von Biomolekülen eingesetzt wird. Dieser Ansatz basiert auf den optischen Eigenschaften von Halbleiter-QDs mit einer spektralen Empfindlichkeit, die durch Variation der QD-Größe oder -Dichte, die als Abstimmparameter für die Intensität des gelesenen optischen Signals dient, leicht gesteuert werden kann. Ähnlich wie das QD-Tagging nutzt die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Fluoreszenztechnik einzigartige elektromagnetische Spektren von Metallnanopartikeln, um sichere nanoskalige Tags herzustellen.

Unter den zahlreichen Beispielen für potente Methoden zur Authentifizierung und Identifikation sowie zur Generierung kryptographischer Schlüssel zeichnen sich insbesondere physisch unklonierbare Funktionen (PUFs) aus. Obwohl diese Sicherheits-Primitive ursprünglich nicht für die Elektronik entwickelt wurden, haben sie weit verbreitete Anwendungen in der Hardware-Sicherheit gefunden und dienen als einzigartige Identität für elektronische Geräte wie integrierte Schaltungen, Hochfrequenz-Identifikationsetiketten und vorprogrammierbare Gate-Arrays. Zur Stärkung elektronischer Vorrichtungen nutzen konventionelle mikroelektronische schaltungsbasierte PUFs, wie Ringoszillator-PUFs, Arbiter-PUFs und SRAM-PUFs, unkontrollierbare winzige Prozessschwankungen in der traditionellen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Fertigungstechnologie. Anstatt digitale Speicher zum Speichern von Geheiminformationen zu verwenden oder einen Benutzer aufzufordern, diese bereitzustellen, entsteht sie durch eine physikalische Eigenschaft des Systems, die vermutlich nicht geklont werden kann. Dennoch haben mehrere Studien gezeigt, wie maschinelle Lerntechniken Angriffe erzeugen können, um verschiedene Arten von PUFs zu brechen, indem sie einen Computeralgorithmus entwickeln, der sich nicht von der ursprünglichen PUF unterscheidet.

Nanoskalige elektronische Geräte könnten wieder einmal die Möglichkeit bieten, diese Sicherheitslücken zu schließen. Zumindest was die Nanotechnologie-Gemeinschaft betrifft, mangelt es nicht an Ideen. Eine mögliche Lösung besteht darin, Variationen im resistiven Zustand von Memristoren in einer Standard-Nanocrossbar-Architektur zu nutzen, um On-Chip-PUFs auf Basis von memristiven Vorrichtungen herzustellen. Damit dieser Ansatz jedoch eine qualitativ hochwertige Zufälligkeit erzeugen kann, müssen die eingestellte Spannung und die Vorspannungsdauer des Geräts präzise gesteuert werden, was eine Herausforderung bleibt.

Die Erforschung nanoskaliger Phänomene für Sicherheitsanwendungen ist ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie die Nanotechnologie, die in etablierten mikroskaligen Konzepten verwurzelt ist, diese Ideen erweitern kann, um die bestehende Technologie auf eine völlig neue Ebene zu heben, die positive gesellschaftliche und wirtschaftliche Auswirkungen hat. Allerdings wird jeder weitere Fortschritt bei den aufkommenden Nanotechnologien zur Bekämpfung von Fälschungen und deren letztendliche Umsetzung zwangsläufig eine weitere experimentelle Validierung, Leistungsbewertung und Zuverlässigkeitsbewertung der nanoskaligen Geräte erfordern. Diese Bemühungen sind bereits im Gange.

Nano Tech Basics

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