CN104216678B - 一种无偏真随机数发生器及随机数生成方法 - Google Patents

Abstract

一种无偏真随机数发生器，包括APD模块、雪崩信号甄别整形放大模块、时间数字转换模块和编码器模块，通过对所述APD模块产生的电子学脉冲进行编码，生成随机序列。以及一种无偏真随机数的生成方法以及一种无偏真随机数发生器芯片。本发明生成的随机数序列无需通过复杂的后处理过程即可通过随机统计检测。本发明的装置和方法具有很高的集成度，可以采用集成电路工艺封装成为芯片级器件。本发明的装置和方法无需光源即可工作，也可以通过光纤或自由空间耦合外部光源产生的光量子调节随机数的生成效率。因此，本发明的装置和方法对于环境具有良好的兼容性，无需低温、严密遮光等特殊工作条件即可正常工作。

Description

一种无偏真随机数发生器及随机数生成方法

技术领域

本发明涉及随机数生成的方法和装置，更具体地，涉及一种无偏真随机数发生器及随机数生成方法。

背景技术

随机数是数据处理过程中广泛使用的基础资源，性能良好的随机数发生器在信息安全、电子商务、通信、数值模拟和计算、博彩业、游戏设计等众多的领域具有广泛的用途。

随机数发生器可以分为两类：伪随机数发生器和真随机数发生器。伪随机数发生器一般由算法产生，其生成的序列取决于算法和对算法赋予的初值，本质上并非真正的随机序列。因此无法用于信息安全等具有较高要求的应用中。真随机数发生器一般使用具有随机特性的物理过程作为信号源，例如：放射性衰变、电子噪声等。理想的真随机数发生器需要具备：不可预测、不可重复的特性，如果考虑到实际应用中的要求，还需要满足无偏、游程、相关等特性的要求。

量子物理过程是实现真随机数发生器的有效资源之一。已有基于单个光子经过50：50光学分束器得到的空间路径、单光子到达时间等物理过程的真随机数发生器。由于物理器件自身与模型的要求可能存在一定的差异，因此在随机数特性上很难达到理想的要求。例如：ID Quantiqe公司Quantis光量子随机数发生器产品采用了光学分束器的方法产生随机数。但是由于光学分束器难以做到精准的50：50，且分光比这一参数可能会受到波长等其他物理参数的影响，从而会导致产生的随机数0、1不平衡，并且其他统计检测项的性能也将受到影响。因此，多数随机数发生器需要后处理过程，以使生成的随机序列获得理想的统计特性。对于高要求的随机数发生器来说，应力求简化甚至避免后处理过程，这主要基于两个方面的考虑。第一、后处理过程一般由软件或硬件算法实现，在其中可能会存在后门等不可控的危险环节；第二、后处理过程会在效率、成本、功耗等方面带来一定的开销，从而影响系统的性能或带来潜在的安全性等问题。此外，现有的量子随机数发生器方案基本上都需要有激光光源或单光子光源，这将会造成集成度下降、成本上升等问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是基于光电雪崩二极管(APD)中的电子复合与隧穿的量子过程，通过对APD的计数进行编码处理产生随机序列来提供一种无偏真随机数发生器及随机数生成方法，以生成自平衡、具有良好的统计特性的多进制或二进制随机数序列。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种无偏真随机数发生器，包括光电雪崩二极管和处理器，其中所述处理器通过对所述光电雪崩二极管产生的电子学脉冲进行编码，生成随机序列。

作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种无偏真随机数发生器，包括：

光电雪崩二极管模块，用来产生雪崩电信号；

雪崩信号甄别整形放大模块，用来对所述光电雪崩二极管产生的所述雪崩电信号进行放大处理，转换成适合被后续模块处理的信号；

时间数字转换模块，用来接收所述雪崩信号甄别整形放大模块处理的雪崩电信号，并按一定间隔将产生所述雪崩电信号的时间分为多个时间片，记录落入不同的时间片之内的雪崩电信号并进行编号；以及

编码器模块，用来接收所述时间数字转换模块记录的雪崩电信号的时间片编号，将连续的若干个时间片分成一组，对输入的雪崩电信号编号进行编码，得到多进制或二进制的随机序列。

其中，所述雪崩信号甄别整形放大模块对所述光电雪崩二极管模块产生的雪崩信号以电流形式直接处理，或通过电阻转换为电压信号进行处理。

其中，通过调节所述光电雪崩二极管模块的偏置电压来实现对所述雪崩信号发生几率的调节。

其中，所述无偏真随机数发生器还包括光源模块和可调衰减模块，所述光源模块发出光脉冲，被所述可调衰减模块衰减到单光子量级后，输入到所述光电雪崩二极管模块。

其中，通过调节所述可调衰减模块的衰减值来调节所述光电雪崩二极管模块产生雪崩信号的几率。

其中，所述光电雪崩二极管模块通过自由空间或光耦合器件与所述光源模块实现耦合。

其中，所述光耦合器件为光纤分束器或者透镜/微透镜阵列。

其中，所述无偏真随机数发生器还包括随机序列采集存储模块，用来采集、存储所述编码器模块生成的随机比特序列。

其中，所述无偏真随机数发生器包括多个光电雪崩二极管模块，所述多个光电雪崩二极管模块并行产生随机序列。

其中，所述编码器模块将所述多个光电雪崩二极管模块产生的随机信号按顺序排列或穿插排列方式进行多路复合编码。

其中，所述光电雪崩二极管模块中使用Si或InGaAs材料的雪崩二极管。

其中，所述时间数字转换模块和编码器模块均在PC机、FPGA或DPS上运行。

作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种无偏真随机数的生成方法，包括下列步骤：

光电雪崩二极管模块产生雪崩电信号；

雪崩信号甄别整形放大模块对所述光电雪崩二极管产生的所述雪崩电信号进行放大处理，转换成适合被后续模块处理的信号；

时间数字转换模块接收所述雪崩信号甄别整形放大模块处理的雪崩电信号，并按一定间隔将产生雪崩电信号的时间分为多个时间片，记录落入不同的时间片之内的雪崩电信号并进行编号；以及

编码器模块接收所述时间数字转换模块记录的雪崩电信号的时间片编号，将连续的若干个时间片分成一组，对输入的雪崩电信号编号进行编码，得到多进制或二进制的随机序列。

其中，所述雪崩信号甄别整形放大模块对所述光电雪崩二极管模块产生的雪崩信号以电流形式直接处理，或通过电阻转换为电压信号进行处理。

其中，所述光电雪崩二极管模块通过调节偏置电压来实现对所述雪崩电信号发生几率的调节。

其中，所述无偏真随机数发生器还包括光源模块和可调衰减模块，所述光源模块发出光脉冲，被所述可调衰减模块衰减到单光子量级后，输入到所述光电雪崩二极管模块。

其中，通过调节所述可调衰减模块的衰减值，来调节所述光电雪崩二极管模块产生雪崩信号的几率。

其中，所述光电雪崩二极管模块通过自由空间或者光耦合器件与所述光源模块实现耦合。

其中，所述光耦合器件为光纤分束器或者透镜/微透镜阵列。

其中，所述无偏真随机数发生器还包括随机序列采集存储模块，用来采集、存储所述编码器模块生成的随机比特序列。

其中，所述无偏真随机数发生器包括多个光电雪崩二极管模块，所述多个光电雪崩二极管模块并行产生随机序列。

其中，所述编码器模块将所述多个光电雪崩二极管模块产生的随机信号按顺序排列或穿插排列方式进行多路复合编码。

其中，所述光电雪崩二极管模块中使用Si或InGaAs材料的雪崩二极管。

其中，所述时间数字转换模块和编码器模块均在PC机、FPGA或DPS上运行。

作为本发明的还一个方面，本发明提供了一种无偏真随机数发生器芯片，包括：

若干个光电雪崩二极管模块阵列，分别有输出引线与编码器电路相连，用来分别产生雪崩电信号；以及

编码器电路，用来实现对多路雪崩电信号的捕获、转换和编码，输出多进制或二进制的随机序列。

其中，所述无偏真随机数发生器芯片还包括光学耦合头和分光器件，用来为外部光源提供到所述若干个光电雪崩二极管模块阵列的光路。

其中，所述无偏真随机数发生器芯片还包括若干个驱动信号产生模块，用来为所述若干个光电雪崩二极管模块阵列产生驱动信号。

其中，所述若干个驱动信号产生模块为每个光电雪崩二极管模块单独提供驱动信号。

其中，所述若干个驱动信号产生模块的驱动信号来自于所述无偏真随机数发生器芯片内部的时钟源或外部的触发信号。

其中，所述无偏真随机数发生器芯片还包括特征提取模块和偏压控制模块，其中所述特征提取模块通过对产生的随机信号进行统计，得到产生的雪崩概率等信息，并传输给所述偏压控制模块，所述偏压控制模块通过调节提供给每个光电雪崩二极管模块的偏压，调节所述光电雪崩二极管模块对光子信号的探测效率，从而调节所述光电雪崩二极管模块产生雪崩电信号的几率。

从本发明的技术方案可以看出，本发明的方法生成的随机数序列无需通过复杂的后处理过程即可通过随机统计检测，由于无需光源和低温制冷，本发明的实现方案可以采用集成电路工艺封装成为芯片级器件。通过光纤或自由空间耦合外部光源产生的光量子可以调节随机数的生成效率。单个APD的典型面积一般从0.008mm²～0.04mm²不等，以常规芯片内核尺寸为10mm×10mm计算，在一个芯片内有望实现集成1000个以上APD的阵列，从而增加随机数的生成效率。这一方法无需光源即可工作，光源甚至背景的杂散光均可成为产生随机数的资源，到达APD的光子仅会影响产生随机数的效率，而不会影响随机序列的随机特性。因此，这一方法具有很高的集成度，并且对于环境具有良好的兼容性，无需低温、严密遮光等特殊工作条件即可正常工作。

附图说明

图1为本发明基于APD产生随机数的无偏真随机数生成方法的原理框图；

图2为本发明增加可选光源的无偏真随机数生成方法的原理框图；

图3为本发明使用多个APD阵列并行产生随机数的无偏真随机数生成方法的原理框图；

图4为本发明的无偏真随机数发生器的一种具体实现系统；

图5为本发明的无偏真随机数发生器的集成电路实现的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的无偏真随机数发生器的具体实现原理如下：对光电雪崩二极管产生的电子学脉冲进行编码，并生成随机序列。本发明的无偏真随机数发生器的技术方案包括：可选的光源模块、可调衰减模块、可以产生雪崩电信号的光电雪崩二极管模块(APD模块)、雪崩信号甄别整形放大模块、时间数字转换模块和编码器模块，其中，APD模块产生的雪崩电信号作为物理随机信号源，该信号输入到后续的时间数字转换和编码器模块；时间数字转换模块按一定间隔将产生雪崩电信号的时间分为多个时间片，记录落入不同的时间片之内的雪崩电信号并进行编号；将产生雪崩电信号的时间片编号送入编码器模块，编码器模块将连续的若干个时间片分成一组，对输入的雪崩电信号编号进行编码，得到多进制或二进制的随机序列。可选的光源模块发出的光脉冲，被可调衰减模块衰减到单光子量级后，输入APD模块。通过调节可调衰减模块的衰减值，可以调节APD模块产生雪崩电信号的几率，从而调节随机数的生成效率。

本发明的无偏真随机数发生器可以使用多个APD并行产生随机序列，从而提高随机数的产生效率。在使用光源的情况下，多个APD与光源可以通过自由空间直接连接，或者光纤的光耦合器件实现耦合，本发明对于光耦合器件的耦合比没有严格的要求，从而进一步增加了方案在实际条件下的可用性。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步详细地阐述。

实施例1：

本发明以APD产生的雪崩电信号作为物理随机源，其基本的实现方式之一如图1所示：APD模块中的APD当没有雪崩信号时，只存在较低的暗电流，当有雪崩信号时，将有明显的雪崩电流存在。APD1-1的输出与雪崩信号甄别整形放大模块1-2相连，作为该模块的输入信号。APD的雪崩电信号可以在甄别整形放大模块中以电流形式直接处理，或通过电阻等转换为电压信号进行处理。雪崩信号甄别整形放大模块输出可以由后续模块处理的电学信号，作为时间数字转换模块1-3的输入。时间数字转换模块将探测时间分成若干个时间片，并记录雪崩电信号所处的时间片，将具转换为相应的数字信息后，送入编码器模块1-4。编码器模块1-4按照编码规则将送入的雪崩电信号时间信息编码为随机比特序列，并送入随机序列采集存储模块1-5。随机序列采集存储模块1-5负责采集、存储生成的随机比特序列，并按需输出以供使用。

实现方案中的时间数字转换模块可以使用时间数字转换设备完成，或采用集成电路芯片及辅助器件完成。若采用的时间数字转换设备本身包含上位机，则编码和数据采集可以同时在上位机完成。

随机序列采集模块可以采用NI公司的数据采集卡结合PC机、FPGA芯片、DPS芯片等技术手段实现。

以下描述本发明的无偏真随机数发生器的一种实现方案中的编码方法。

APD器件在未探测到光子时，由于热噪声等因素的作用，也可以由自身的暗电流产生暗计数。由于热噪声的能量远小于价带和导带之间的能隙，因此原子的跃迁几率较小，可以按独立同分布事件(IID)进行估计。当处于价带顶部的原子数目为N₁，单个电子的跃迁几率为p₁时，在时间τ内跃迁到导带内的电子总数n₁＝k的几率可以用伯努利分布来描述，即：

由于在APD材料中p₁＜＜1，而N₁较大，如果以λ₁代表在时间间隔τ内，发生跃迁的平均电子数，则传输过程可近似以泊松分布来描述。

由此，如果对N次独立同分布的伯努利事件进行测试获得的结果为X^N＝(x₁，x₂，…，x_N)，其中x_i∈{S，F}，S和F分别代表实验获得的两种可能结果。将其作为输入信号源进行编码的方法如下：

(1)首先将2^N个可能的序列分成N+1个子集C_k，，k＝0，1，2，…，N。C_k将包含种长度为N的序列，其中含有k个“S”事件和N-k个“F”事件，是二项式系数。

(2)如果输出的随机序列为Y∈{y₀，y₁，…，y_N}，其中y_i∈{0，1，2，…，N_i-1，Λ}，Λ代表没有输出，即此次随机数生成过程无效。在本编码方案中，对于子集C_k(k≠0，N)，在i＝k的条件下，输出Y＝y_i，y_i∈{0，1，2，…，N_k-1}；对于C₀和C_N，由于其样本为全0或全1，只能有一个取值，因此随机数生成过程无效，即Y＝y_i＝Λ。

本编码过程生成的随机数为N进制的随机数。以N＝4，k＝2举例，编码过程的一个实例如下：此时，N_k＝6，

C_k＝{(S，S，F，F)，(S，F，S，F)，(S，F，F，S)，(F，S，S，F)，(F，S，F，S)，(F，F，S，S)}；

Y＝y₂，y₂∈{0，1，2，3，4，5}.

上述编码方案可以给出一一对应的随机数为：

(S，S，F，F)→0，(S，F，S，F)→1，(S，F，F，S)→2，

(F，S，S，F)→3，(F，S，F，S)→4，(F，F，S，S)→5.

可见，在同一编码子集C_k中的元素具有相同的概率p^k·(1-p)^N-k，其中p是得到结果“S”的概率。考虑所有可能的子集C_k的全体，某一元素的概率为N_k·p^k·(1-p)^N-k。由此可见，如果输入编码器的样本属于C_k(k≠0，N)，编码器的输出将得到N进制的无偏随机序列。

(3)更进一步的，由于大多数应用场合需要使用二进制随机数。编码器可以将N进制无偏随机数转换为二进制无偏随机数，其方法如下，受限将子集合C_k进一步分解为更多的子块

其中，α_n，α_n-1，…，α₀是N_k的二进制展开系数。α_n＝1，当0＜j＜n时，α_j＝0 or 1。为了保持由多进制转换成二进制时，随机数的无偏性，当α₀＝1，即N_k为奇数时，需要在C_k中舍弃一个组合。因此，实质上α₀不参与编码过程。

仍然以N＝4，k＝2为例，此时N_k＝2²+2¹，则(2)中的实例生成的N进制随机数对二进制随机数的一一映射为：

(S，S，F，F)→00，(S，F，S，F)→01，(S，F，F，S)→10，(F，S，S，F)→11；

(F，S，F，S)→0，(F，F，S，S)→1.

(4)由上述编码过程可以看出，由于该编码方法的实质为简单的时间片信息到多进制和二进制的映射过程，因此只需通过很小的开销，即可通过软件或硬件实现，且编码过程易于检测，有助于对随机数发生器安全性的评估。

实施例2：

对于本发明来说，光源是可选部件。其实现方式为光源2-1通过光纤或自由空间信道，进入可调衰减器2-2，可调衰减器也可以采用光纤或自由空间器件，可调衰减器的输出信号通过光纤或自由空间输入光电雪崩二极管2-3，之后的随机数生成、处理过程与实施例1相同。

在本实施例中可以选经过很强衰减的直调脉冲激光器作为光源。直调脉冲激光器在高于激发阈值的状态下发出相干光。相干光经过大幅度衰减之后，其光脉冲所含光子数为n的概率P_λ(n)可以用泊松分布来描述，即：

其中，λ是光脉冲的平均光子数。由此，经过强衰减的相干光脉冲，每个脉冲所含的光子个数具有随机性，这一量子特性可以用于生成随机序列。

特别的，两个服从泊松分布的独立随机变量之和仍然服从泊松分布。因此，当光源脉冲和暗计数作为产生雪崩电信号的随机变量的集合考虑时，仍然服从泊松分布。由此可见，光源的加入并不影响实施例1中，随机性分析的基础，故而也不会影响生成随机数序列的随机性。

考虑到对光源进行衰减的可调特性，可以将其平均光子数衰减到最优的强度，使随机数编码的效率最高。这一效率可以用每一次随机事件可以提取的信息熵H(N，p)来评估。

其中，N是随机事件发生的总次数，p是发生雪崩的几率。可以证明，当p＝1/2时，可以得到最优的H(N，p)。因此，应当调节可调衰减器的衰减值，使衰减后的光脉冲与探测器暗计数之和产生雪崩概率的值为1/2。

对雪崩信号发生几率的调节可以通过自适应反馈装置调节可调衰减器或APD的偏置电压实现。

实施例3：

本发明还可以采用多个暗计数并行产生随机信号的方法，提高随机数的生成效率。在本实施例中，光源仍然可以作为可选模块。可调衰减器3-2与APD阵列3-4之间，可以通过光耦合器相连。光耦合器可以采用光纤分束器、透镜阵列等实现方式。

雪崩电信号的处理方式与实施例1和实施例2基本相同，所区别的在于多路雪崩信号甄别整形放大模块3-5、多路时间数字转换模块3-6、编码器3-7都应可以对多路信号同时进行处理。

编码器3-7应可以对多个APD产生的随机信号按顺序排列或穿插排列等方式进行多路复合编码。

一种具体的系统实现：

图4给出了本发明的无偏真随机数发生器的一种具体的实现系统。同步电路4-1为激光器4-2、两个光电雪崩二极管4-8和4-9，以及TDC 4-12提供触发信号。触发信号根据需求可以是方波信号、脉冲信号或正弦波信号。激光器4-2发出的光脉冲经过光学分束器4-3之后，分别由衰减器4-4和4-5衰减最优的光强，之后分别经过光纤信道4-6和4-7送入两个光电雪崩二极管4-8和4-9。两个APD的输出信号分别经过甄别整形放大电路4-10和4-11处理后，送入自带PC的时间数字转换仪4-12进行编码处理。

本实现系统所采用的器件为光纤器件，光子的传输信道为光纤信道。需要明确的是，本系统和本发明所涉及的方法包括但不仅限于光纤器件和信道，自由空间器件和信道也同样适用。

可选的增益反馈装置4-13可以对所采集的随机信号进行统计，并根据一定的算法，对可调衰减器进行反馈控制，APD产生雪崩信号的几率保持在1/2。这一装置也有助于在环节参数变化时，保持随机数发生器工作状态的相对稳定。

采用本发明的无偏真随机数生成方法设计的集成芯片的一种具体实现：

图5给出了一种采用本发明的无偏真随机数生成方法设计的随机数芯片集成电路的具体实现方案。芯片例如包含4×4共16个APD阵列5-3，16个APD分别有输出引线与编码电路5-4相连。编码电路5-4需要完成多路信号的捕获、时间片的判断和数字转换、随机信号到编码的转换功能。其功能和方法可以采用但不仅限于实施例1和实施例2中的编码方法，并可由集成电路工艺将编码过程硬件化。

对于生成的随机数可以由可选的随机数性能检测模块5-5进行检测，检测过程和方法可以参照相关标准。这一模块并不是随机数生成过程中的必须环节，但是加入这一模块会为保证随机数输出的质量带来一定的好处。

生成的随机数可以存储在随机数存储器5-6中，被外部器件调用，按需输出。

光学耦合头5-1和分光器件5-2负责为外部光源提供到APD阵列5-3的光路。典型的光学耦合头可以采用但不限于光纤接头。分光器件应尽量保证光子以相同的强度或几率耦合到APD阵列中的各个芯片上，典型的分光器件包括并不限于微透镜及其阵列。

驱动信号产生模块5-7负责为需要偏压或雪崩开门信号的APD产生驱动信号，为了获取最好的性能，可以为每个APD单独提供驱动信号。驱动信号可以来自于芯片内部的时钟源或外部的触发信号。

对于使用APD阵列的随机数芯片来说，难以通过调节外部衰减器使每个APD的雪崩几率都达到1/2。此时，可以采用特征提取模块5-8和偏压控制模块5-9来实现这一自反馈的功能。其实现方法如下：通过特征提取模块5-8，对随机信号进行统计，得到产生的雪崩概率等信息，控制偏压控制模块5-9，通过调节提供给每个APD的偏压，调节APD对光子信号的探测效率，调节APD产生雪崩信号的几率，使随机数生成的效率达到最优。对于APD探测效率的调控可以作为芯片的可选部分，在图5中用虚线表示。

通过实际检测，本发明的无偏真随机数发生器及随机数生成方法基于APD中的电子复合与隧穿的量子过程，通过对APD的计数进行编码处理产生随机序列来提供无偏真的随机数，生成了自平衡、具有良好的统计特性的多进制或二进制随机数序列。本发明可以使用基于Si或InGaAs等材料的雪崩二极管，根据APD的特性，可以工作在连续或“盖格”模式下。本发明的方案可以容许APD芯片具有较高的暗计数，因此即便工作在“盖格”模式下，也无需低温制冷，在常温下即可正常工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种无偏真随机数发生器，包括：

光电雪崩二极管模块，用来产生暗电流电信号；所述光电雪崩二极管模块中不包含光源；

雪崩信号甄别整形放大模块，用来对所述光电雪崩二极管产生的所述暗电流电信号进行放大处理，转换成适合被后续模块处理的信号；

时间数字转换模块，用来接收所述雪崩信号甄别整形放大模块处理的暗电流电信号，并按一定间隔将产生所述暗电流电信号的时间分为多个时间片，记录落入不同的时间片之内的暗电流电信号并进行编号；以及

编码器模块，用来接收所述时间数字转换模块记录的暗电流电信号的时间片编号，将连续的若干个时间片分成一组，对输入的暗电流电信号编号进行编码，得到多进制或二进制的随机序列。

2.根据权利要求1所述的无偏真随机数发生器，其中所述无偏真随机数发生器还包括随机序列采集存储模块，用来采集、存储所述编码器模块生成的随机比特序列。

3.根据权利要求1所述的无偏真随机数发生器，其中所述无偏真随机数发生器包括多个光电雪崩二极管模块，所述多个光电雪崩二极管模块并行产生随机序列。

4.根据权利要求3所述的无偏真随机数发生器，其中所述编码器模块将所述多个光电雪崩二极管模块产生的随机信号按顺序排列或穿插排列方式进行多路复合编码。

5.根据权利要求1所述的无偏真随机数发生器，其中所述时间数字转换模块和编码器模块均在PC机、FPGA或DPS上运行。

6.一种无偏真随机数的生成方法，包括下列步骤：

通过不包含光源的光电雪崩二极管模块产生暗电流电信号；

雪崩信号甄别整形放大模块对所述光电雪崩二极管产生的所述暗电流电信号进行放大处理，转换成适合被后续模块处理的信号；

时间数字转换模块接收所述雪崩信号甄别整形放大模块处理的暗电流电信号，并按一定间隔将产生暗电流电信号的时间分为多个时间片，记录落入不同的时间片之内的暗电流电信号并进行编号；

编码器模块接收所述时间数字转换模块记录的暗电流电信号的时间片编号，将连续的若干个时间片分成一组，对输入的暗电流电信号编号进行编码，得到多进制或二进制的随机序列。

7.根据权利要求6所述的无偏真随机数的生成方法，其中所述无偏真随机数发生器还包括随机序列采集存储模块，用来采集、存储所述编码器模块生成的随机比特序列。

8.根据权利要求6所述的无偏真随机数的生成方法，其中所述无偏真随机数发生器包括多个光电雪崩二极管模块，所述多个光电雪崩二极管模块并行产生随机序列。

9.根据权利要求8所述的无偏真随机数的生成方法，其中所述编码器模块将所述多个光电雪崩二极管模块产生的随机信号按顺序排列或穿插排列方式进行多路复合编码；其中所述对于时间片分组编码的方法将任意N次独立同分布时间片上出现的所有可能序列，按照雪崩信号出现的次数k，分为N+1个子集，并通过对各子集进行联合编码的方式，有效生成N进制无偏序列的随机数，并进一步映射到二进制无偏随机数，其中k的取值在0至N之间，N为正整数。

10.根据权利要求6所述的无偏真随机数的生成方法，其中所述时间数字转换模块和编码器模块均在PC机、FPGA或DPS上运行。

11.一种无偏真随机数发生器芯片，包括：

若干个光电雪崩二极管模块组成的阵列，分别有输出引线与编码器电路相连，用来输出多路暗电流电信号；其中，所述若干个光电雪崩二极管模块阵列中的每一个光电雪崩二极管模块均不包含光源；以及

编码器电路，用来实现对所述多路暗电流电信号的捕获、转换和编码，输出多进制或二进制的随机序列。

12.根据权利要求11所述的无偏真随机数发生器芯片，其中所述无偏真随机数发生器芯片还包括若干个驱动信号产生模块，用来为所述若干个光电雪崩二极管模块阵列产生驱动信号。

13.根据权利要求12所述的无偏真随机数发生器芯片，其中所述若干个驱动信号产生模块为每个光电雪崩二极管模块单独提供驱动信号。

14.根据权利要求12所述的无偏真随机数发生器芯片，其中所述若干个驱动信号产生模块的驱动信号来自于所述无偏真随机数发生器芯片内部的时钟源或外部的触发信号。