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Lightweight True In-Pixel Encryption with FeFET Enabled Pixel Design for Secure Imaging

यह शोध पत्र SecurePix प्रस्तुत करता है, जो एक कॉम्पैक्ट CMOS-संगत इमेज सेंसर आर्किटेक्चर है जो विजुअल डेटा को स्रोत पर ही प्रभावी ढंग से सुरक्षित करने के लिए फेरोइलेक्ट्रिक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FeFETs) का उपयोग करके हल्का, ट्रू इन-पिक्सेल एन्क्रिप्शन करता है, जो कम बिजली के ओवरहेड को बनाए रखते हुए न्यूरल नेटवर्क रिकग्निशन सटीकता को नाटकीय रूप से कम करता है और सिमेट्रिक कुंजियों के माध्यम से अधिकृत रिकवरी को सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Md Rahatul Islam Udoy, Diego Ferrer, Wantong Li, Kai Ni, Sumeet Kumar Gupta, Ahmedullah Aziz

प्रकाशित 2026-04-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Md Rahatul Islam Udoy, Diego Ferrer, Wantong Li, Kai Ni, Sumeet Kumar Gupta, Ahmedullah Aziz

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

समस्या: "कांच का घर" वाला कैमरा

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक हाई-टेक सुरक्षा कैमरा है। अतीत में, ये कैमरे कांच के घरों की तरह थे। वे एक तस्वीर लेते थे, और वह इमेज डेटा के एक स्पष्ट, अनएन्क्रिप्टेड (बिना लॉक किए गए) स्ट्रीम के रूप में कैमरे से बाहर निकल जाती थी।

यदि कोई चोर तस्वीर चुराना चाहता, तो उसे सर्वर रूम में घुसने या वाई-फाई को हैक करने की आवश्यकता नहीं होती। उसे बस कैमरे को कंप्यूटर से जोड़ने वाले तार के पास खड़ा होना होता और उसमें सेंध लगानी होती। क्योंकि डेटा "खुला" (बिना लॉक किया हुआ) था, वे तुरंत सब कुछ देख सकते थे।

भले ही आपने सामने का दरवाजा लॉक कर दिया हो (वाई-फाई सिग्नल को एन्क्रिप्ट कर दिया हो), लेकिन डेटा अभी भी असुरक्षित था क्योंकि वह कैमरे के अपने तारों के अंदर यात्रा कर रहा था, इससे पहले कि वह इमारत से बाहर निकलता।

समाधान: "जादुई प्रिज्म" पिक्सेल

इस पेपर के शोधकर्ताओं ने, जिनका नेतृत्व मो. राहतुल इस्लाम उदोय और उनकी टीम ने किया, एक साहसिक सवाल पूछा: "डेटा के कैमरे से बाहर निकलने का इंतज़ार क्यों करना कि उसे लॉक किया जाए? क्यों न इसे हर एक पिक्सेल के अंदर ही लॉक न कर दिया जाए?"

उन्होंने एक नए प्रकार का इमेज सेंसर बनाया जिसे SecurePix कहा जाता है।

एक मानक कैमरा सेंसर को लाखों छोटे बर्तनों (पिक्सेल) के ग्रिड के रूप में सोचें जो बारिश (प्रकाश) को पकड़ते हैं। एक सामान्य कैमरे में, प्रत्येक बर्तन में पानी का स्तर मापा जाता है और एक स्पष्ट संख्या के रूप में बाहर भेजा जाता है।

SecurePix में, हर एक बर्तन के साथ एक गुप्त, जादु적인 प्रिज्म जुड़ा होता है।

गुप्त कुंजी (Secret Key): तस्वीर लेने से पहले, मालिक प्रत्येक बर्तन को एक अद्वितीय "गुप्त सेटिंग" (एक कुंजी) के साथ प्रोग्राम करता है। यह फेरोइलेक्ट्रिक ट्रांजिस्टर (FeFET) नामक एक विशेष सामग्री का उपयोग करके किया जाता है। इस सामग्री को एक चुंबकीय स्विच की तरह समझें जो बिजली बंद होने पर भी अपनी स्थिति को याद रखता है।
जादुई ट्रिक: जब प्रकाश बर्तन से टकराता है, तो पानी का स्तर बढ़ जाता है। लेकिन गुप्त प्रिज्म के कारण, पानी एक स्पष्ट संख्या के रूप में बाहर नहीं आता। इसके बजाय, यह एक बिखरा हुआ, विकृत सिग्नल बनकर बाहर आता है।
- यदि आप बिना कुंजी के इस बिखरे हुए सिग्नल को देखते हैं, तो यह स्टैटिक शोर या एक बिखरी हुई लकीरों जैसा दिखता है।
- यदि आप इसे कुंजी के साथ देखते हैं, तो प्रिज्म वापस घूम जाता है, और मूल छवि पूरी तरह से दिखाई देने लगती है।

यह कैसे काम करता है ("FeFET" उपमा)

इसका गुप्त घटक FeFET नामक एक हिस्सा है।

सामान्य ट्रांजिस्टर: एक लाइट स्विच की तरह जो या तो चालू (ON) है या बंद (OFF)।
FeFET (इस पेपर में): एक डिमेर स्विच (dimmer switch) की तरह जिसमें मेमोरी होती है। आप इसे 10 अलग-अलग ब्राइटनेस लेवल पर सेट कर सकते हैं, और यह उस सटीक लेवल को हमेशा के लिए याद रखेगा, भले ही आप कैमरे का प्लग निकाल दें।

शोधकर्ताओं ने इन "मेमोरी डिमर्स" का उपयोग हर पिक्सेल के अंदर किया। उन्होंने प्रत्येक पिक्सेल को एक अलग रैंडम सेटिंग पर प्रोग्राम किया। जब कैमरा फोटो लेता है, तो प्रकाश सेंसर से टकराता है, लेकिन "मेमोरी डिमर" अपनी गुप्त सेटिंग के आधार पर परिणाम को तुरंत बिखेर (scramble) देता है।

यह इतनी बड़ी बात क्यों है?

"कांच का घर" अब एक "किला" है: भले ही कोई हैकर कैमरे के अंदर के तारों में सेंध लगा ले, उन्हें केवल बिखरा हुआ शोर ही दिखेगा। वे लाइसेंस प्लेट या व्यक्ति का चेहरा नहीं देख पाएंगे क्योंकि स्कैम्बलिंग (बिखराव) डेटा के सेंसर से बाहर निकलने से पहले ही हो चुकी थी।
यह छोटा और कुशल है: आमतौर पर, एन्क्रिप्शन के लिए एक बहुत बड़े, जटिल कंप्यूटर चिप की आवश्यकता होती है जो बहुत जगह घेरती है। यह नया डिज़ाइन एन्क्रिप्शन लॉजिक को खुद उस छोटे से पिक्सेल के अंदर फिट कर देता है। यह एक डाक टिकट के आकार के अंदर तिजोरी रखने जैसा है।
यह AI हैकर्स को रोकता है: आधुनिक हैकर्स यह अनुमान लगाने के लिए आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (AI) का उपयोग करते हैं कि एक बिखरी हुई छवि कैसी दिख सकती है। शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली AI (ResNet-18) के खिलाफ अपने कैमरे का परीक्षण किया।
- एन्क्रिप्शन से पहले: AI 99% बार छवियों को पहचान लेता था।
- एन्क्रिप्शन के बाद: AI की सटीकता गिरकर लगभग 7% हो गई (जो कि लगभग रैंडम अनुमान लगाने जैसा है)। एन्क्रिप्शन इतना अच्छा था कि एक सुपर-स्मार्ट AI भी यह नहीं समझ सका कि तस्वीर क्या थी।

आपको तस्वीर वापस कैसे मिलती है?

यदि इमेज बिखरी हुई (scrambled) है, तो आप इसे कैसे देख सकते हैं?

अधिकृत प्राप्तकर्ता (Authorized Receiver): आपको "मास्टर की" (Master Key) की आवश्यकता होती है। चूंकि कैमरा गुप्त सेटिंग्स (FeFET अवस्थाओं) को याद रखता है, इसलिए प्राप्तकर्ता को पता होता है कि प्रत्येक पिक्सेल को कैसे बिखेरा गया था।
लुकअप टेबल (Lookup Table): प्राप्तकर्ता एक डिजिटल "डिकोडर रिंग" (लुकअप टेबल) का उपयोग करता है ताकि प्रक्रिया को उल्टा किया जा सके। यह बिखरे हुए शोर को लेता है और गणितीय रूप से उसे अनस्क्रैम्बल (unscramble) करता है, जिससे मूल, स्पष्ट छवि प्रकट होती है।

निष्कर्ष

यह पेपर एक ऐसे कैमरे को पेश करता है जो तस्वीर को उसी क्षण एन्क्रिप्ट करता है जब वह बनाई जाती है, सेंसर के सबसे छोटे संभव यूनिट के अंदर।

पुराना तरीका: फोटो लें $\rightarrow$ बाहर भेजें $\rightarrow$ दरवाजे पर लॉक करें। (हैकर्स दरवाजे से पहले ही इसे चुरा सकते हैं)।
SecurePix का तरीका: फोटो को कैमरे के लेंस के अंदर ही लॉक करें, इससे पहले कि वह सेंसर से बाहर निकले। (हैकर्स को केवल शोर ही दिखेगा)।

यह एक "हार्डवेयर-लेवल" सुरक्षा प्रणाली है जो कैमरे को ही रक्षा की पहली पंक्ति बनाती है, यह सुनिश्चित करती है कि आपकी निजी तस्वीरें प्रकाश के सेंसर से टकराने के क्षण से ही निजी रहें।

यहाँ शोध पत्र "Lightweight True In-Pixel Encryption with FeFET-Enabled Pixel Design for Secure Imaging" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

पारंपरिक इमेज सेंसर सिस्टम स्तर पर किसी भी एन्क्रिप्शन से पहले, आंतरिक बसों और रीडआउट लाइनों के माध्यम से पिक्सेल डेटा को स्पष्ट (अनएन्क्रिप्टेड) रूप में ट्रांसमिट करते हैं। यह एक महत्वपूर्ण भेद्यता (vulnerability) पैदा करता है:

आंतरिक एक्सपोजर (Internal Exposure): भले ही बाहरी ट्रांसमिशन चैनल एन्क्रिप्टेड हो, भौतिक पहुंच रखने वाले हमलावर कच्चे एनालॉग या हल्के प्रोसेस्ड डिजिटल पिक्सेल मानों को इंटरसेप्ट करने के लिए आंतरिक वायरिंग, कॉलम बसों या पेरिफेरल सर्किटों को टैप कर सकते हैं।
मौजूदा समाधानों की सीमाएं: वर्तमान "इन-सेंसर" सुरक्षा विधियां आमतौर पर पेरिफेरल सर्किट या कॉलम-स्तरीय प्रोसेसिंग ब्लॉक्स में एन्क्रिप्शन करती हैं। यह फोटोडायोड से पेरिफेरल ब्लॉक तक के पथ को असुरक्षित छोड़ देता है।
थ्रेट मॉडल (Threat Model): हमलावर हार्डवेयर प्रोबिंग, बस टैपिंग, या मशीन लर्निंग (ML) इन्फरेंस का उपयोग करके कच्चे डेटा से दृश्यों (scenes) को पुनर्गठित कर सकते हैं, जिससे डाउनस्ट्रीम एन्क्रिप्शन पूरी तरह से बायपास हो जाता है।

2. कार्यप्रणाली: SecurePix आर्किटेक्चर (Methodology: SecurePix Architecture)

लेखक SecurePix का प्रस्ताव करते हैं, जो एक कॉम्पैक्ट CMOS-संगत पिक्सेल आर्किटेक्चर है जो वास्तविक इन-पिक्सेल एन्क्रिप्शन (true in-pixel encryption) करता है। मुख्य नवाचार एक फेरोइलेक्ट्रिक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FeFET) का उपयोग करके सीधे पिक्सेल सर्किट के भीतर एन्क्रिप्शन तंत्र को एम्बेड करना है।

मुख्य घटक (FeFET): डिज़ाइन एक n-टाइप FeFET का उपयोग करता है जिसमें मल्टीडोमेन फेरोइलेक्ट्रिक कैपेसिटर (HfO₂-आधारित) होता है। मानक ट्रांजिस्टरों के विपरीत, FeFET प्रोग्रामिंग वोल्टेज एम्प्लीट्यूड (PVA) द्वारा निर्धारित कई स्थिर, नॉन-वोलेटाइल पोलराइजेशन अवस्थाओं (रेमनेंट पोलराइजेशन, $P_R$ ) को बनाए रख सकता है।
सर्किट डिज़ाइन:
- पिक्सेल एक मानक 3-ट्रांजिस्टर (3T) एक्टिव पिक्सेल संरचना (Reset, Source Follower, Selector) पर आधारित है, लेकिन इसमें सोर्स फॉलोर के साथ सीरीज में एक FeFET ( $X_{FE}$ ) को एकीकृत किया गया है।
- प्रोग्रामिंग चरण (Programming Phase): एक रो-वाइज प्रोग्रामिंग प्रोटोकॉल का उपयोग किया जाता है। एक डिस्चार्ज ट्रांजिस्टर ( $X_{DIS}$ ) FeFET के सोर्स को ग्राउंड से जोड़ता है, जिससे पूर्ण प्रोग्रामिंग वोल्टेज ( $V_G$ ) एक विशिष्ट पोलराइजेशन अवस्था सेट कर पाता है। यह अवस्था उस विशिष्ट पिक्सेल के लिए एक सिमेट्रिक एन्क्रिप्शन कुंजी (symmetric encryption key) के रूप में कार्य करती है।
- इमेजिंग चरण (Imaging Phase): इमेज कैप्चर के दौरान, फोटोडायोड वोल्टेज ( $V_{PD}$ ) प्रकाश की तीव्रता के आधार पर डिस्चार्ज होता है। आउटपुट करंट ( $I_{OUT}$ ) $V_{PD}$ और FeFET के प्रोग्राम्ड कंडक्टेंस के बीच की अंतःक्रिया द्वारा निर्धारित होता है।
एन्क्रिप्शन तंत्र: FeFET की प्रोग्राम की गई अवस्था पिक्सेल के एनालॉग ट्रांसफर कैरेक्टरिस्टिक को संशोधित करती है। फलस्वरूप, समान प्रकाश तीव्रता अलग-अलग एन्क्रिप्टेड आउटपुट करंट उत्पन्न करती है, जो पिक्सेल की अद्वितीय कुंजी (key) पर निर्भर करती है। कच्चा फोटोडायोड वोल्टेज पिक्सेल को कभी नहीं छोड़ता; केवल एन्क्रिप्टेड एनालॉग सिग्नल ही ट्रांसमिट किया जाता है।
डिक्रिप्शन (Decryption): अधिकृत रिसीवर विशिष्ट FeFET ट्रांसफर कर्व्स (साझा सिमेट्रिक कुंजी पर आधारित) के इनवर्स मैपिंग वाले लुकअप टेबल (LUT) का उपयोग करके मूल फोटोडायोड वोल्टेज और इमेज को पुनर्गठित करते हैं।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

वास्तविक इन-पिक्सेल एन्क्रिप्शन (True In-Pixel Encryption): पूर्ववर्ती कार्यों के विपरीत, जो फोटोकन्वर्जन के बाद डेटा को एन्क्रिप्ट करते हैं, SecurePix पिक्सेल बाउंड्री से बाहर निकलने से पहले सिग्नल को एन्क्रिप्ट करता है, जिससे साझा रीडआउट लाइनों पर एक्सपोजर समाप्त हो जाता है।
नॉन-वोलेटाइल की स्टोरेज (Non-Volatile Key Storage): एन्क्रिप्शन कुंजियाँ FeFET में नॉन-वोलेटाइल पोलराइजेशन अवस्थाओं के रूप में संग्रहीत की जाती हैं, जिसके लिए किसी रिफ्रेश पावर की आवश्यकता नहीं होती है और वे पावर साइकिल के दौरान बनी रहती हैं।
कॉम्पैक्ट फुटप्रिंट (Compact Footprint): डिज़ाइन अत्यधिक क्षेत्र-कुशल है, जो 45 nm CMOS प्रोसेस में 2.33 × 3.01 μm² का पिक्सेल पिच प्राप्त करता है, जो इसे उच्च-रिज़ॉल्यूशन एरेज़ के लिए व्यवहार्य बनाता है।
हार्डवेयर-लाइटवेट (Hardware-Lightweight): एन्क्रिप्शन लॉजिक ट्रांजिस्टर फिजिक्स के स्वाभाविक रूप से जुड़ा हुआ है, जिससे पिक्सेल के भीतर जटिल डिजिटल लॉजिक या बड़े पेरिफेरल सर्किट की आवश्यकता नहीं होती है।

4. सिमुलेशन परिणाम और प्रदर्शन (Simulation Results & Performance)

लेखकों ने 45 nm प्रेडिक्टिव टेक्नोलॉजी मॉडल (PTM) का उपयोग करके HSPICE सिमुलेशन और Cadence Virtuoso में लेआउट सत्यापन का उपयोग करके डिज़ाइन को मान्य किया।

सुरक्षा मेट्रिक्स (Security Metrics):
- स्पेशियल कोरिलेशन (Spatial Correlation): एन्क्रिप्शन ने पिक्सेल-टू-पिक्सेल कोरिलेशन कोफिशिएंट (क्षैतिज, ऊर्ध्वाधर, विकर्ण) को मूल छवियों में >0.88 से घटाकर एन्क्रिप्टेड छवियों में <0.10 कर दिया, जिससे स्थानिक अतिरेक (spatial redundancy) प्रभावी रूप से समाप्त हो गया।
- ML प्रतिरोध (ML Resistance): अनएन्क्रिप्टेड डेटा पर प्रशिक्षित ResNet-18 न्यूरल नेटवर्क ने प्राप्त किया:
  - MNIST: 99.29% सटीकता (अनएन्क्रिप्टेड) $\rightarrow$ 9.58% (एन्क्रिप्टेड)।
  - CIFAR-10: 91.33% सटीकता (अनएन्क्रिप्टेड) $\rightarrow$ 6.98% (एन्क्रिप्टेड)।
    यह इंगित करता है कि एन्क्रिप्टेड डेटा आधुनिक डीप लर्निंग मॉडल्स के लिए रैंडम नॉइज़ के समान है।
रिकवरी फिडेलिटी (Recovery Fidelity): LUTs का उपयोग करके अधिकृत डिक्रिप्शन ने उच्च-गुणवत्ता वाला पुनर्गठन प्राप्त किया:
- PSNR (पीक सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो): वास्तविक दुनिया की छवियों (लाइसेंस प्लेट, बारबरा) के लिए ~46–47 dB, जो लगभग पूर्ण रिकवरी का संकेत देता है।
पावर एफिशिएंसी (Power Efficiency):
- प्रोग्रामिंग पावर-डेली प्रोडक्ट (PDP): प्रति पिक्सेल 17 μW·μs।
- सेंसिंग PDP: प्रति पिक्सेल 1.25 μW·μs।
की स्पेस (Key Space): सिस्टम कई प्रोग्रामिंग स्तरों (जैसे, 8–16 स्तर) का समर्थन करता है, जो प्रति पिक्सेल 3–4 बिट्स की एंट्रॉपी प्रदान करता है, जो प्रोसेस वेरिएशंस के विरुद्ध एन्क्रिप्शन स्ट्रेंथ और रिकवरी मजबूती के बीच संतुलन बनाता है।

5. महत्व (Significance)

SecurePix "ट्रस्ट बाउंड्री" को सिस्टम स्तर से नीचे व्यक्तिगत पिक्सेल तक ले जाकर सेंसर सुरक्षा में एक प्रतिमान परिवर्तन (paradigm shift) का प्रतिनिधित्व करता है।

डिफेंस-इन-डेप्थ (Defense-in-Depth): यह इमेजिंग पाइपलाइन के सबसे संवेदनशील बिंदु—कच्चे एनालॉग सिग्नल जनरेशन—को संबोधित करता है, जो पारंपरिक ट्रांसमिशन एन्क्रिप्शन को बायपास करने वाले हमलों को रोकता है।
पूरकता (Complementarity): यह पेपर तर्क देता है कि SecurePix मौजूदा पेरिफेरल एन्क्रिप्शन का प्रतिस्थापन नहीं है, बल्कि एक पूरक परत है। जब इसे डाउनस्ट्रीम सुरक्षा के साथ जोड़ा जाता है, तो यह एक मजबूत, एंड-टू-एंड सुरक्षित इमेजिंग सिस्टम बनाता है।
व्यावहारिकता (Practicality): मानक CMOS प्रक्रियाओं और नॉन-वोलेटाइल मेमोरी डिवाइसेस (FeFETs) का लाभ उठाकर, यह समाधान एक स्केलेबल, लो-ओवरहेड हार्डवेयर सुरक्षा तंत्र प्रदान करता है जो अगले दौर के IoT, स्वायत्त वाहनों और निगरानी प्रणालियों के लिए उपयुक्त है जहाँ गोपनीयता अत्यंत महत्वपूर्ण है।