CN107506174A - 基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器 - Google Patents

基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B对RO进行门控；计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。本发明实施例通过在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机性，解决了高吞吐量时功耗大的问题，进而达到了降低功耗的同时并提高了吞吐量的技术效果。

Description

基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器。
背景技术
伪随机数发生器(Pseudo random number generators，PRNGs)已广泛用于随机过程的仿真和统计方法。虽然PRNGs生成的位序列是快速可重复的，但整个序列由其任意的起始值完全确定，并且具有由其状态数限定的有限周期。许多常见的确定性PRNGs是很容易出现缺陷的，并且表现出不明显的伪影，导致它们在需要大量随机数的密码学、彩票、神经网络模拟、统计测试等应用中表现不理想。即使是精心设计的PRNGs，也容易在马尔科夫链蒙特卡罗链分析和测试长期混沌的时间序列模拟时产生错误的结果。
与基于数学模型或公式设计的PRNG相反，真随机数发生器(True random numbergenerator，TRNG)是可以生成从完全非确定性物理过程中提取、独立均匀分布的真随机数的设备。即使所有关于设计的细节(例如，原理图、算法、运作等等)都公开，由于TRNGs可以产生无穷无尽的，完全随机并且不可预测的随机数据流，这些没有周期的随机数对于高要求的密码学应用程序而言，也是更加安全的。随着新兴设备和应用的复杂性越来越高，密码学、网络密集化和大数据分析方面进一步发展，PRNGs在建模，仿真，分析和测试方面变得越来越不尽人意。而另一方面，TRNGs的速度较慢，并且可能偏向于提取随机的低级时变信号。虽然集成电路中存在丰富的可用于生成随机信号的微观现象，但是产生真实随机数的过程本身可能引入相关性，使得生成的位序列与其不可预测性的理论断言相矛盾。为了将微弱的，不可预测的模拟噪声波动转换和放大到可测量的水平，通常需要由采样和模数转换器和/或其他一些电子电路构成的变换单元和放大单元将输出转换成数字比特流。由于这些单元的带宽有限并且单元之间存在互相关污染，当原始随机变化的信号被采样得太快时，连续的位往往是相关的。高吞吐量的TRNGs是十分耗电的，这限制了其被使用和集成到低成本和电池供电的系统中。
现有技术中，已有许多可用于TRNGs的片上CMOS结构。它们可以根据不同的噪声收集机制大致分类。作为经证实的白噪声源，热噪声是一种十分常用的随机源，它可以被直接放大来生成真随机数。然而，这种方法需要具有高功耗、宽带宽和高增益放大器，以将热噪声放大到可测量的水平以用于后续处理。基于亚稳定性的TRNGs能够产生高吞吐率的随机比特，但是，它们需要很大面积并需要额外的后处理电路来校准由于工艺变化而产生的系统偏差。目前的行业标准主要采用的TRNGs是采集两个自由运行的环形振荡器(RingOscillators，ROs)中的抖动噪声。这种方法使用慢速输出来对快速输出进行采样。它的特点是技术上实现简单且具有良好的随机性，但需要额外的大功耗的时钟发生器来提供足够的抖动变化。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，以使能够降低功耗并提高吞吐量。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，异或后的输出对RO进行门控；计数器与RO输出端连接；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化，计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。
本发明实施例通过提出一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，通过在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机性，解决了高吞吐量时功耗大的问题，进而达到了降低功耗的同时并提高了吞吐量的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的结构示意图。
图2是本发明实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的电路示意图。
图3是本发明实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的内部电路节点的时序图。
图4是本发明实施例的常规反相器的电路图。
图5是本发明实施例的饥饿电流反相器的电路图。
图6是本发明实施例的E-TSPC异步L位计数器的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1，本发明实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器主要包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器。
请参照图2，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成。当EN信号置为高电平时，与非门相当于一个常规反相器；当EN＝1时，形成九级饥饿电流ROs；本发明实施例通过改变饥饿电流反相器的充电和放电电流来调节饥饿电流ROs的振荡频率。
RO为三级常规RO(Ring Oscillator，环形振荡器)，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成。第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，以提取抖动噪声，且异或后的输出对RO进行门控。第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化。当第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs产生抖动时，RO才会振荡，在本发明实施例中，可采用如下公式计算振荡周期N：
其中τ是正常RO的周期，στ为第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs总的抖动标准差。因为计数长度L≈log22N，本发明实施例通过采用两个常规反相器和与非门来构造最小长度的RO以减小寄生电容并增大充电和放电电流，从而将振荡周期最小化，进而避免了单调相关以及提取了更多的随机比特；此外，本发明实施例的RO仅在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动周期内振荡，避免了不必要的电路开关活动，降低了功耗。实际应用中若有必要，还可以以面积和功耗为代价扩大栅极宽度以增大振荡频率。
计数器与RO的输出端连接，将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列，计数器达到最大值后复位。
作为一种实施方式，第一饥饿电流ROs及第二饥饿电流ROs中的饥饿电流反相器被偏置在亚阈值区域运行，且所述RO中的常规反相器在强反型区域中工作，进而能够使随机性最大化。
本发明实施例从第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机位。RO是产生周期性方波的松弛振荡器。抖动是在通过反相器时信号边沿的时序变化，导致RO的实际振荡周期偏离其理论周期。在本发明实施例中，RO的振荡频率f0的一阶估算可以采用下式进行计算：
其中I、C、M和VDD分别是平均电流(不考虑漏电流或短路电流)、总负载电容、奇数级数和电源电压。
本发明实施例的RO中信号转换的传播在上拉和下拉过程中被随机噪声所激发，这两个噪声不相关，可采用下式将它们的差异归结为一个总的抖动方差：
στ、σtdN、σtdP分别为总抖动、上拉抖动和下拉抖动的标准差；
其中，上拉抖动和下拉抖动的方差分别可以采用下面两式进行计算：
其中k，T，IN和IP分别是玻尔兹曼常数，绝对温度，放电电流和充电电流。tdN和tdP分别是与放电和充电电流相关的随机噪声变化。
在本发明实施例中，当RO中的常规反相器在强反型区域中工作时，可采用下式计算出总抖动噪声(总方差)：
其中γN和γP分别为NMOS和PMOS晶体管的噪声系数，I为平均电流且μ、Cox、W、L、Vgs和Vth分别为电荷载流子的迁移率、单位面积的栅氧电容、栅极宽度、栅极长度、栅源电压和阈值电压；
当RO中的常规反相器在弱反型区域时，平均电流其中I0是一个常数(Vds等于热电压Vt)，Vds为源漏电压，Vt为热电压，q＝1.602×10- 19C是电子的电荷量；
由此可知，可以通过减小常规反相器中的平均充电/放电电流I或降低振荡频率f0来增加抖动噪声。由于平均电流可以被限制在一个很小的量(例如，几个nA)，而RO的振荡频率可以在相同的级数保持相对较慢，因此，在亚阈值区域中，本发明实施例的RO可以表现出更大的抖动噪声。
作为一种实施方式，在所述第一饥饿电流ROs的输出A或第二饥饿电流ROs的输出B的波形的一个周期内，计数器复位一次或多次。如图3所示，在A或B的波形的每个四分之一周期读取计数器的数字化输出，此时C的值是稳定的；如果计数器的长度太长(如图3中倒数第二个波形N所示)，则在多个读周期中，计数器输出的几个较高阶位保持不变，因此在比特位中将存在时间相关性；本发明实施例为了打破单调相关，在A或B的波形的一个周期内进行至少一次复位操作(如图3中最后一个波形N所示)。计数器输出随着A或B的波形的每个周期随机波动的时长变化，从而提供每次输出计数的多个随机位。
作为一种实施方式，常规反相器包括1个由PMOS(positive channel Metal OxideSemiconductor，P型金属氧化物半导体)和NMOS(Negative channel Metal OxideSemiconductor，N型金属氧化物半导体)组成的互补型电路，如图4所示；所述饥饿电流反相器包括反相器电路，所述反相器电路由1个PMOS及1个NMOS加入到1个互补型电路中组成，如图5所示。如图5所示，饥饿电流反相器通过将额外的PMOS和NMOS加到常规反相器来实现的；电压Vp和Vn分别控制饥饿电流反相器的负载电容的充电和放电电流。
作为一种实施方式，基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器还包括偏置电路，如图5所示，偏置电路包括依次连接的NMOS、偏置NMOS及PMOS；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的饥饿电流反相器均与偏置电路连接，共用偏置电路。偏置电路用来在芯片上产生偏置电压Vp和Vn；所有的饥饿电流反相器共享偏置电路，使面积成本和功耗最小化。
作为一种实施方式，计数器为异步计数器。例如，可采用E-TSPC(Extended truesingle phase clock，扩展真单相时钟)异步L位计数器，如图6所示，RO的输出C作为计数器的第一个D触发器的时钟，D触发器的输出连接到其后续D触发器的时钟端口；由于不存在时钟同步，本发明实施例采用异步计数器具有更低的电磁干扰和比同步计数器更强大的抗干扰能力；此外，还具备传播延迟小，功耗低，以及提高工作频率的效果。
作为一种实施方式，所述计数器为2位计数器。吞吐量由每个计数器提取的位数和系统时钟频率(即输出A和输出B被异或后的频率)决定；然而，这两个因素是矛盾的，因为每个计数提取的位数与抖动成比例，而输出A和输出B被异或后的频率与抖动成反比；偏置和测试表明，使用2位计数器提取抖动噪声是最佳的。在本发明实施例中，一旦确定了提取的比特数，就可以通过以下方式确定基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的吞吐量：吞吐量＝2×输出A和输出B被异或后的频率×每次计数的提取位数。公式中的因子2是由于考虑了电流饥饿ROs的每个周期中上升沿和下降沿的两个抖动产生的序列。
作为一种实施方式，偏置电路的偏置NMOS晶体管长度为300nm。本发明实施例可以通过调整偏置电路中的偏置NMOS晶体管的长度来调整基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的工作频率。工作频率随晶体管长度单调减小，而在300nm的沟道长度处，功耗最小；每比特的能量随着长度降低到300nm以下而增加，因此增大了总功耗，当长度增加到300nm以上时，每位的能量消耗随更小的吞吐量而增加。
本发明实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器产生的随机数字位从两个自由运行的第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取而来。由于本发明实施例通过降低第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的中晶体管的振荡频率和漏极电流来提高抖动，因此本发明实施例具有更大的抖动噪声；此外，本发明实施例的抖动源(第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs)被偏置在亚阈值区域，进一步降低了抖动源的功耗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，异或后的输出对RO进行门控；计数器与RO输出端连接；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化，计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。
2.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述第一饥饿电流ROs及第二饥饿电流ROs中的饥饿电流反相器被偏置在亚阈值区域运行，且所述RO中的常规反相器在强反型区域中工作。
3.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，在所述第一饥饿电流ROs的输出A或第二饥饿电流ROs的输出B的波形的一个周期内，所述计数器复位一次或多次。
4.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述常规反相器包括1个由PMOS和NMOS组成的互补型电路；所述饥饿电流反相器包括反相器电路，所述反相器电路由1个PMOS及1个NMOS加入到1个互补型电路中组成。
5.如权利要求4所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述真随机数发生器还包括偏置电路，所述偏置电路包括依次连接的NMOS、偏置NMOS及PMOS；所述第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的饥饿电流反相器均与偏置电路连接，共用偏置电路。
6.如权利要求5所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述偏置电路的偏置NMOS晶体管长度为300nm。
7.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述计数器为异步计数器。
8.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述计数器为2位计数器。
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