CN107995976B - 随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种装置，包括：磁隧道结(MTJ)器件，其具有其自由磁性层和固定磁性层的平面外磁化，并且被配置为具有远离中心并且较接近该MTJ器件的切换阈值的磁化偏移；以及逻辑单元，其用于根据MTJ器件的电阻状态产生随机数。

Description

随机数发生器
背景技术
随机数发生器产生无序的且随机出现的数字或符号的序列。例如，由随机数发生器产生的数字或符号的序列没有任何模式。随机数发生器有很多应用。例如，随机数发生器可以用于改善硬件安全中的加密、用于统计抽样、密码的编制和破译、赌博、计算机仿真等。
附图说明
根据下面给出的具体实施方式和本公开内容的各个实施例的附图将更充分地理解本公开内容的实施例，然而，不应认为其将本公开内容局限于特定实施例，而是仅用于说明和理解。
图1例示了根据本公开内容的一些实施例的具有垂直磁隧道结(p-MTJ)的随机数发生器。
图2A例示了具有零磁偏移(Hoffset)的固定磁体的图。
图2B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了在图1的p-MTJ中使用的具有负Hoffset的固定磁体的图。
图2C例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了在图1的p-MTJ中使用的具有正Hoffset的固定磁体的图。
图2D例示了示出p-MTJ的电阻状态变化的电流-电压(IV)图。
图3A例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了形成固定磁性层的层数对配置p-MTJ以产生随机数的Hoffset的影响的图。
图3B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了p-MTJ直径尺寸对配置p-MTJ以产生随机数的Hoffset的影响的图。
图4A例示了对于不同的p-MTJ偏置具有各种磁滞的图。
图4B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出两个不同的p-MTJ偏置的随机切换电流(switching current)的图。
图5例示了根据本公开内容的一些实施例的使用p-MTJ生成随机数的方法的流程图。
图6例示了根据本公开内容的一些实施例的示出尺寸小到足以实现低热稳定性以引起随机切换的p-MTJ的图。
图7A例示了根据本公开内容的一些实施例的使用S形负微分电阻(NDR)器件的随机数发生器。
图7B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出S形NDR器件的IV曲线的图。
图7C例示了根据一些实施例的示出S形NDR器件随着输入电流的斜升和斜降的瞬时行为的图。
图7D例示了根据本公开内容的一些实施例的示出S形NDR器件对于静态输入电流的瞬时行为的图。
图8例示了根据本公开内容的一些实施例的使用S形NDR器件产生随机数的方法的流程图。
图9例示了根据本公开内容的一些实施例的使用金属-绝缘体-金属(MIM)器件的随机数发生器。
图10例示了根据本公开内容的一些实施例的使用MIM器件产生随机数的方法的流程图。
图11例示了根据一些实施例的具有随机数发生器的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)。
具体实施方式
一些实施例描述了一种随机数发生器，其包括具有用于其自由和固定磁性层的平面外磁化的磁隧道结(MTJ)器件，并且被配置为具有远离中心且更接近MTJ器件的切换阈值的磁化偏移(Hoffset)。在此，具有平面外磁化的MTJ也称为p-MTJ。在一些实施例中，随机数发生器包括根据p-MTJ器件的电阻状态产生随机数的逻辑单元。
在一些实施例中，p-MTJ被偏置，使得p-MTJ具有高电阻状态(即，自由和固定层的磁化彼此反平行(AP))。然后，将电流注入到p-MTJ中以使自旋电流在自由磁性层中流动，使得自由磁性层的磁化从AP切换到平行(即，平行于固定磁性层的磁化方向)。在一些实施例中，反衰减(anti-damping)自旋转移矩(STT)与p-MTJ的Hoffset和/或热弛豫竞争，以将电阻状态切换回AP并因此产生随机电流。p-MTJ的稳定性可以被认为与活化能类似(出于说明的目的)。这意味着在任何环境温度下存在着被储存在p-MTJ中的比特可以克服活化能势垒并翻转其状态的有限概率。因此，输出电流改变(即，振荡)。该输出电流振荡由产生对应随机数的逻辑单元感测。
在一些实施例中，提供了一种随机数发生器，其包括呈现S形负微分电阻(NDR)的金属-绝缘体-金属(MIM)器件，其中，MIM器件被偏置在其阈值电流。在一些实施例中，随机数发生器包括逻辑单元，其耦合到MIM器件以感测MIM器件两端的电压并根据感测的电压产生随机数。
在一些实施例中，提供了一种随机数发生器，其包括被偏置在高电阻状态的MIM器件以及逻辑单元，该逻辑单元耦合到MIM器件以感测通过MIM器件的电流并根据感测的电流产生随机数。
在以下说明中，论述了许多细节以提供对本公开内容的实施例的更透彻的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本公开内容的实施例的实践可以无需这些具体细节。在其它实例中，以框图的形式而非详细地示出了公知的结构和设备，以避免使得本公开内容的实施例难以理解。
注意，在实施例的对应附图中，用线来表示信号。一些线可以较粗，以指示更多组成的信号路径，和/或一些线可以在一端或多端处具有箭头，以指示主要的信息流动方向。这样的指示并非旨在进行限制。更确切地说，结合一个或多个示例性实施例来使用这些线，以有助于更容易地理解电路或逻辑单元。如由设计需要或偏好所指定的任何所表示的信号实际上可以包括能够在任一方向上行进并且能够用任何适当类型的信号方案来实现的一个或多个信号。
贯穿整个说明书并且在权利要求书中，术语“连接”表示在没有任何中间设备的情况下的所连接的物体之间的直接物理连接、电连接或无线连接。术语“耦合”表示所连接的物体之间的直接电或无线连接，或者通过一个或多个无源或有源中间设备的间接电或无线连接。术语“电路”表示被布置为相互合作以提供期望的功能的一个或多个无源和/或有源部件。术语“信号”表示至少一个电流信号、电压信号、磁信号、电磁信号或数据/时钟信号。“一”、“一个”以及“该”的含义包括多个引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
术语“基本上”、“接近”、“大约”、“靠近”、“约”通常指代在目标值的+/-10％内(除非另有指明)。除非另有指明，描述共同对象的序数词“第一”、“第二”和“第三”等的使用仅仅表示提及了相似对象的不同实例，并非旨在暗示如此说明的对象必须在时间、空间、排序上或者以任何其它方式处于给定的顺序。
对于本公开内容，短语“A和/或B”及“A或B”表示(A)、(B)或(A和B)。对于本公开内容，短语“A、B和/或C”表示(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。
对实施例，在此描述的各个电路和逻辑块中的晶体管是金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其包括漏极、源极、栅极和体端子。晶体管还包括三栅极晶体管和FinFET晶体管、环栅圆柱形晶体管、隧道FET(TFET)、方形引线或矩形带晶体管或者实施晶体管功能的其它器件，如碳纳米管或自旋电子器件。MOSFET对称的源极和漏极端子即是相同的端，并且在本文中可以互换地使用。另一方面，TFET器件具有不对称的源极和漏极端子。本领域技术人员会理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以使用其它晶体管，例如双极结型晶体管-BJT PNP/NPN、BiCMOS、CMOS、eFET等。术语“MN”表示n型晶体管(例如，NMOS、NPN BJT等)，术语“MP”表示p型晶体管(例如，PMOS、PNP BJT等)。
图1例示了根据本公开内容的一些实施例的具有p-MTJ的随机数发生器100。在一些实施例中，随机数发生器100包括p-MTJ 101和逻辑单元103。在一些实施例中，p-MTJ 101包括顶部电极和底部电极、固定磁体层102、自由磁体层104以及夹在固定磁体层102和自由磁体层104之间的绝缘体(或隧穿电介质)。在一些实施例中，固定磁体层102和自由磁体层104的磁化取向在平面外沿z方向(即，垂直于磁体的平面，因此称为p-MTJ)。在一些实施例中，通过将铁磁层(例如，固定磁体层102)与隧穿电介质和另一铁磁层(例如，自由磁体层104)堆叠来形成自旋阀。
材料的广泛组合可以用于p-MTJ 101的材料堆叠。在一些实施例中，材料的叠置体包括：Ru、Ta、MgO、CoFeB、Ta、CoFeB(其中，CoFeB、Ta和CoFeB一起形成自由磁性层104)、MgO(即，隧穿氧化物)、CoFeB、Ta、Co/Pt、Co、Ru、Co和Co/Pt(其中，CoFeB、Ta、Co/Pt、Co、Ru、Co和Co/Pt形成固定磁性层102)。
在一些实施例中，固定磁体层102的厚度确定其磁化方向。例如，当固定磁体层102的厚度高于某一阈值(取决于磁体的材料，例如对于CoFe约为1.5nm)时，固定磁体层102呈现出平面内的磁化方向。同样地，当固定磁体层102的厚度低于某一阈值(取决于磁体的材料)时，固定磁体层102呈现出与磁性层的平面垂直的磁化方向。在一些实施例中，自由磁性层104的厚度也以与固定磁体层102的厚度相同的方式确定其磁化方向。在此，固定磁体层102和自由磁性层104的磁化方向在平面外。
其它因素也可以确定磁化的方向。例如，诸如表面各向异性(取决于相邻层或铁磁层的多层组成)和/或晶态各向异性(取决于应力和晶格结构修改，如FCC、BCC或L10型的晶体，其中，L10是表现出垂直磁化的晶族类型)之类的因素也可以确定磁化的方向。
在一些实施例中，p-MTJ 101被配置为具有远离中心且更接近p-MTJ101的切换阈值的磁化偏移(Hoffset)。在一些实施例中，当STT使得自由磁体层104从低电阻状态切换时(即，当固定磁体层102和自由磁体层104都具有平行的磁化取向时)，Hoffset连同热能导致p-MTJ 101切换到高电阻状态(即，当固定磁体层102和自由磁体层104具有反平行磁化取向时)。因此，检测到通过p-MTJ 101的电流的随机振荡。根据一些实施例，这些随机振荡可用于产生随机数。
图2A-C例示了根据一些实施例的示出零和非零Hoffset的磁滞图200、220和230，其中，非零Hoffset用于产生在p-MTJ 101中切换的随机电流。
图2A例示了示出具有零磁偏移(Hoffset)的固定磁体的迟滞图200。此处，x轴是穿过p-MTJ的磁场(Hext)，y轴是p-MTJ的电阻。当p-MTJ的固定磁体层和自由磁体层都具有反平行(AP)磁化取向时，出现高电阻，而当p-MTJ的固定磁体层和自由磁体层都具有平行(P)磁化取向时，出现低电阻。AP和P取向之间的切换状态发生在两个分离的磁切换场-Hsw1和Hsw2，其中，Hsw1是正磁切换场，Hsw2是负磁切换场。Hoffset可以表示为：
Δ＝Hoffset＝(HSW1+HSW2)/2
由于Hsw1和Hsw2的幅值相对于零点相等，迟滞图200中所示的Hoffset为零。典型的MTJ具有零Hoffset。在一些实施例中，Hoffset被配置为非零，如参考图2B-C所述，以产生在p-MTJ101中切换的随机电流。
图2B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了在图1的p-MTJ101中使用的具有负Hoffset的固定磁体的迟滞图(hysteresis plot)220。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图2B的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。由于Hsw2的幅值相对于零点大于Hsw1的幅值，因此迟滞图220中所示的Hoffset为负。切换磁场的差为Δ。
图2C例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了在图1的p-MTJ101中使用的具有正Hoffset的固定磁体的图230。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图2C的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。由于Hsw1的幅值相对于零点大于Hsw2的幅值，因此迟滞图230中所示的Hoffset为正。切换磁场的差为Δ。
图2D例示了示出p-MTJ 101的电阻状态变化的电流-电压(IV)曲线240。此处，x轴是p-MTJ 101两端的电压(即，VMTJ)，y轴是通过p-MTJ 101的电流(即，IMTJ)。随着电压被施加在p-MTJ 101上，电流开始流过它。在AP状态(即，高电阻状态)期间，可忽略不计的电流或极小的电流流过，而在P状态(即，低电阻状态)期间，随VMTJ增大，电流开始增大(即，较高的VMTJ导致更多的反衰减STT和更快的切换电流)。在一些实施例中，反衰减STT与p-MTJ 101的Hoffset和/或热弛豫竞争，以将电阻状态切换回AP从而产生随机电流。
p-MTJ 101的稳定性可以被认为与活化能类似(出于说明的目的)。这意味着在任何环境温度下存在着被储存在p-MTJ中的比特可以克服活化能势垒并翻转其状态的有限概率。因此，输出电流改变(即，振荡)。该输出电流振荡由产生对应随机数的逻辑单元感测。一旦p-MTJ 101从AP状态切换到P状态，对于相同极性下的理想器件它可能不会再次切换。此处，Hoffset使得该比特处于切换场附近(在这种情况下为HSW2)，而热能使得该比特能够切换。
在一些实施例中，p-MTJ 101的Hoffset被配置为通过改变用于形成固定磁性层102的层数来改变(例如，为正或负)，如参考图3A所示。图3A例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了形成固定磁性层的层数“N”对配置p-MTJ 101以产生随机数的Hoffset的影响的图300。此处，x轴是以纳米(nm)为单位的结尺寸，而y轴为以毫特斯拉(mT)为单位的μ0Ηs(对应于Hoffset)。结尺寸指示固定磁体层102的直径。对于固定的结尺寸，随着形成距离固定磁性层102的MgO层最远的Co/Pt多层的层数N'增加(例如，从4到8)，Hoffset从正数降低到负数。
图3B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出了p-MTJ 101直径尺寸对配置p-MTJ 101以产生随机数的Hoffset的影响的图320。此处，x轴是以nm为单位的固定磁性层102的直径，而y轴是以奥斯特(Oe)为单位的Hoffset。在一些实施例中，随着固定磁性层102的直径增大(例如，从70nm到100nm)，Hoffset增大(即，变得更正)。
虽然实施例描述了借助改变固定磁体层102的层数或固定磁体层102的直径来改变Hoffset，但也可以使用其它技术。例如，可以结合或不结合改变固定磁体层102的层数或固定磁体层102的直径，改变各个层的厚度或者改变材料类型。在一些实施例中，Hoffset被配置接近p-MTJ 101的切换边缘，使得热能可以使得比特能够切换。
图4A例示了对于不同的p-MTJ偏置具有各种磁滞的图400。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图4A的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。此处，x轴是磁场Hext，而y轴是以欧姆为单位的电阻。图400例示了类似图200、220和230的磁滞，但是对于各种VMTJ设置(例如，分别为20mV、200mV和400mV)。迟滞图的窗口尺寸(例如，内部开口)随不同的VMTJ和磁场而变化。STT使得比特从AP状态翻转到P状态。此处，Hoffset使其为Hsw，热弛豫使得比特从P状态翻转到AP状态。
图4B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出对于两个不同的p-MTJ偏置的随机切换电流的图420。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图4B的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。此处，x轴是采样时间(以毫秒(ms)为单位)，而y轴是以安培(A)为单位的电流。
在一些实施例中，设置VMTJ使得具有接近p-MTJ 101的切换边缘的Hoffset的p-MTJ101最初处于高电阻状态(即，AP状态)，然后将电流I提供给p-MTJ 101，使其通过STT切换到低电阻状态(即，P状态)。根据一些实施例，Hoffset使得被储存在p-MTJ 101中的比特处于切换场附近(例如，HSW2)，而热能使得比特能够切换。根据一些实施例，该切换是随机的。切换是VMTJ、HC和Hoffset的功能，其中“Hc”是矫顽力。矫顽力通常是指在已经使样品的磁化驱至饱和之后，将该材料的磁化降至零所需的施加的磁场强度。矫顽力也可以指沿着易磁化轴切换材料的磁化所需的外部磁场。
图420例示了对于两个不同VMTJ的两个切换速度。电流421用VMTJ680mV生成，而电流422用690mV的VMTJ生成。在一些实施例中，通过调整偏置电压VMTJ、Hc和/或Hoffset，可以修改切换电流的随机性。在一些实施例中，然后逻辑单元103感测该切换电流以产生随机数。
图5例示了根据本公开内容的一些实施例的使用p-MTJ 101生成随机数的方法的流程图500。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图5的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。
尽管以特定顺序示出了参考图5的流程图中的块，但是可以修改操作的顺序。因此，所示实施例可以以不同的顺序执行，并且一些操作/块可以并行执行。根据某些实施例，图5中列出的一些块和/或操作是可选的。为了清楚起见而呈现块的编号，但并非旨在规定各个块必须按照其出现的操作顺序。另外，来自各个流程的操作可以以各种组合使用。
在块501处，具有接近p-MTJ 101的切换边缘的经配置的Hoffset的p-MTJ101被初始化为处于高电阻状态(即，AP状态)。此处，切换边缘通常是指可以以非常小的VMTJ变化(例如，小于1V但大于10mV)从高电阻状态切换到低电阻状态的p-MTJ 101的条件。p-MTJ 101使用STT的物理现象以电流从高电阻切换到低电阻状态。当固定磁体层102的磁化方向/取向与自由磁体层104的磁化方向/取向反平行(AP)时，实现高电阻状态(例如，10千欧)。在该状态期间，较小的电流流过p-MTJ 101。
在块502处，通过输入电流“I”来激励p-MTJ 101，以使得STT引起自由磁体层104切换其磁性取向。因而，p-MTJ 101的电阻状态从高电阻状态变为低电阻状态。当固定磁体层102的磁化方向/取向与自由磁体层104的磁化方向/取向平行(P)时，实现低电阻状态。在该状态期间，较高的电流流过p-MTJ 101。
在块503处，发生随机切换。根据一些实施例，Hoffset使得被储存在p-MTJ101中的比特处于切换场(例如，HSW2)附近，热能使得比特能够切换。根据一些实施例，该切换是随机的(其导致随机切换电流)。因此，在p-MTJ101的端子处感测到随机切换电流。根据一些实施例，该随机电流然后被逻辑单元103用作种子以产生随机数。
图6例示了根据本公开内容的一些实施例的示出尺寸小到足以实现低热稳定性以引起随机切换的p-MTJ 101的图600。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图6的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。此处，x轴是时间，y轴是电阻。
在一些实施例中，尺寸(例如，固定磁体层102的直径)被配置为足够适于通过从高电阻状态转变为低电阻状态来引起随机切换。例如，稳定性ΔAVG由引起p-MTJ 101的电阻状态的随机切换的足够小的稳定性或尺寸构成。在一些实施例中，较高的ΔAVG导致较小的易失性，而较低的ΔAVG导致较高的易失性。例如，对于低于21kT的ΔAVG，p-MTJ 101表现出较高的易失性，而对于高于21kT的ΔAVG，p-MTJ 101表现出较高的易失性，其中，“k”是玻尔兹曼常数，“T”是温度。
较小的易失性对应于p-MTJ中较高的数据保持(即，更稳定的电阻状态，一旦p-MTJ被偏置到该电阻状态)。在一些实施例中，对于易失性较小的p-MTJ，随着温度的变化，电阻状态从高状态至低状态或从低状态至高状态改变的概率较低。更高的易失性对应于p-MTJ中较低的数据保持(即，较不稳定的电阻状态，一旦p-MTJ被偏置到该电阻状态)。在一些实施例中，对于具有高易失性的p-MTJ，随着温度的变化，电阻状态从高状态至低状态或从低状态至高状态改变的概率较高。因此，在一些实施例中，使得直径足够小以实现低的热稳定性(即，较高的易失性)。在一个这样的实施例中，逻辑单元103感测p-MTJ 101中的电阻变化，并且使用该随机性来产生随机数。
图7A例示了根据本公开内容的一些实施例的使用S形负微分电阻(NDR)器件的随机数发生器700。在一些实施例中，随机数发生器700包括金属-绝缘体-金属(MIM)器件701、逻辑单元702和电流源703。在一些实施例中，MIM器件701呈现为S形NDR(即，S形的IV曲线)。在一些实施例中，通过将MIM器件701偏置在其电流阈值(Ithreshold)附近，MIM器件701以随机方式在开和关状态之间振荡。在一些实施例中，MIM器件701是具有S形NDR IV曲线的类似选择器的器件。在一些实施例中，MIM器件701的绝缘体是硫族化物的氧化物。在一些实施例中，MIM器件701是金属-半导体-金属(MSM)器件，其中，“S”是硫族化物。在其它实施例中，可以使用其它类型的绝缘体。
在一些实施例中，当MIM 701被偏置在Ithreshold时，来自电流源703的输入电流“I”改变。然后由逻辑单元702测量或感测MIM 701两端的电压。该电压是随机的(即，在开和关状态之间没有特定模式地切换)。在一些实施例中，逻辑单元702使用这些随机变化的电压来产生随机数。
图7B例示了根据本公开内容的一些实施例的示出S形NDR器件的IV曲线的图720。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图7B的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。此处，x轴是电压(V)，y轴是电流(I)。
随着MIM器件701两端的电压从Vhold增加到Vth，MIM器件701最初保持在关状态，并且通过MIM器件701的电流“I”基本上为零。随着MIM器件701两端的电压从Vth降低到Vhold，MIM器件701开始传导一些电流“I”并开始接近保持状态(即，开状态)。一旦达到保持状态，MIM器件701就保持MIM 701中所储存的数据(即，表现为锁存器)。
在一些实施例中，MIM 701被偏置在Ithreshold(即，在IV图的y轴上的保持电平)，使得当来自电流源703的输入电流“I”变化时，MIM器件701两端的电压Vmeas在“锁存”和“振荡”区域之间振荡。根据一些实施例，Vmeas的这种随机振荡由逻辑单元703感测，其使用该随机性来产生随机数。
图7C例示了根据本公开内容的一些实施例的示出S形NDR器件随着输入电流的斜升和斜降的瞬时行为的图730。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图7C的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。
此处，x轴是MIM器件701两端的电压(V)，y轴是时间。在该示例中，在MIM器件701被偏置在Ithreshold周围之后，来自电流源703的输入电流“I”斜升然后斜降，并且例示了MIM器件701的对应行为。图7C示出了振荡相对于锁存的性质。随着输入电流斜升(即，增大)，Vmeas在Vhold和Vth之间振荡，然后稳定(即，锁存)。类似地，随着输入电流斜降(即，减小)，Vmeas从稳定的锁存状态移动而开始在Vhold和Vth之间振荡(即，振荡状态)。根据一些实施例，该瞬时图中的振荡区域用于产生随机数。
图7D例示了根据本公开内容的一些实施例的示出S形NDR器件对于静态输入电流的瞬时行为的图740。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图7D的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。此处，x轴是MIM器件701两端的电压(V)，y轴是时间。在这种情况下，来自电流源703的输入电流“I”是固定的。此处，比特被偏置在阈值附近，该阈值是画圈的区域(即，振荡/锁存区域之间的虚线圆圈)。根据一些实施例，随机性在近阈值条件下增大。
图8例示了根据本公开内容的一些实施例的使用S形NDR器件产生随机数的方法的流程图800。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图8的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。
尽管以特定顺序示出了参考图8的流程图中的块，但是可以修改操作的顺序。因此，所示实施例可以以不同的顺序执行，并且一些操作/块可以并行地执行。根据某些实施例，图8中列出的一些块和/或操作是可选的。为了清楚起见而给出块的编号，但并非旨在规定各个块必须按照其出现的操作顺序。另外，来自各个流程的操作可以以各种组合使用。
在块801处，将MIM器件701偏置在Ithreshold附近。通过将MIM器件701偏置在其电流阈值(Ithreshold)附近，MIM器件701可操作用于以随机方式在开和关状态之间振荡。在块802处，通过电流源703改变到MIM器件701的输入电流，以改变MIM器件701两端的电压Vmeas。在块803处，由逻辑单元702感测Vmeas，逻辑单元702使用Vmeas从Vhold到Vth状态的随机变化来产生随机数。在块804处，逻辑单元702根据Vmeas从Vhold的随机变化来产生随机数。
图9例示了根据本公开内容的一些实施例的使用MIM器件的随机数发生器900。在一些实施例中，随机数发生器900包括MIM器件901和逻辑单元902。在一些实施例中，MIM器件901是电阻式随机存取存储器(RRAM)器件。在一些实施例中，MIM器件901的绝缘体由硫族化物的氧化物制成。在一些实施例中，MIM器件901包括氧化物层(例如，RRAM氧化物)、氧交换层(OEL)以及顶部和底部电极(例如，Cu层)，其中，氧化物层、OEL和电极由层间电介质(ILD)部分地包围。用于OEL的典型材料是过渡金属的亚化学计量的氧化物，例如氧化铪HfOx、氧化钽TaOx、氧化钨WOx、氧化钛TiOx，其中，“x”是数字。
在一些实施例中，MIM器件901被偏置在高电阻状态。因此，在一些实施例中，逻辑单元902观察到电流“I”中的随机电报噪声。在一些实施例中，逻辑单元902使用电流“I”中的该随机电报噪声来使用任何适当的随机数发生器电路产生随机数。
图10例示了根据本公开内容的一些实施例的使用MIM器件901来产生随机数的方法的流程图1000。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图10的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。
尽管以特定顺序示出了参考图10的流程图中的块，但是可以修改操作的顺序。因此，所示实施例可以以不同的顺序执行，并且一些操作/块可以并行地执行。根据某些实施例，图10中列出的一些块和/或操作是可选的。为了清楚起见而给出块的编号，但并非旨在规定各个块必须按照其出现的操作顺序。另外，来自各个流程的操作可以以各种组合使用。
在块1001处，在MIM器件901上施加电压“V”以使其被偏置在高电阻。在块1002处，由逻辑单元902感测来自MIM器件901的电流“I”。在块1003处，逻辑单元902使用随机电流“I”作为种子来利用任何适当的随机发生器电路产生随机数。
图11例示了根据一些实施例的具有随机数发生器的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)。应当指出，具有与任何其它附图的元件相同的附图标记(或名称)的图11的那些元件可以以与所描述的方式类似的任何方式操作或作用，但不限于此。
图11例示了移动设备的实施例的框图，在该移动设备中可以使用平面接口连接器。在一个实施例中，计算设备1600表示移动计算设备，例如计算平板、移动电话或智能电话、具有无线功能的电子阅读器、或其它无线移动设备。会理解，大致示出了某些部件，而不是在计算设备1600中示出这个设备的全部部件。
在一些实施例中，根据一些所述实施例，计算设备1600包括具有随机数发生器的第一处理器1610。根据一些实施例，计算设备1600的其它块也可以包括随机数发生器。本公开内容的各个实施例还可以包括在1670内的网络接口，例如无线接口，以使得系统实施例可以包含在无线设备中，例如蜂窝电话或个人数字助理。
在一些实施例中，处理器1610(和/或处理器1690)可以包括一个或多个物理设备，例如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑器件或其它处理模块。由处理器1610执行的处理操作包括在其上执行应用和/或设备功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括与和用户的或和其它设备的I/O(输入/输出)有关的操作、与电源管理有关的操作、和/或与将计算设备1600连接到另一个设备有关的操作。处理操作还可以包括与音频I/O和/或显示器I/O有关的操作。
在一些实施例中，计算设备1600包括音频子系统1620，其表示与向计算设备提供音频功能相关联的硬件(例如，音频硬件和音频电路)和软件(例如，驱动器、编码解码器)部件。音频功能可以包括扬声器和/或耳机输出、以及麦克风输入。用于这种功能的设备可以集成到设备1600中，或者连接到计算设备1600。在一个实施例中，用户通过提供由处理器1610接收并处理的音频命令来与计算设备1600交互。
在一些实施例中，计算设备1600包括显示子系统1630。显示子系统1630表示硬件(例如，显示设备)和软件(例如，驱动器)部件，其为用户提供视觉和/或触觉显示以便与计算设备1600交互。显示子系统1630包括显示界面1632，其包括特定屏幕或硬件设备，用于向用户提供显示。在一个实施例中，显示界面1632包括与处理器1610分离的逻辑单元，用以执行与显示有关的至少一些处理。在一个实施例中，显示子系统1630包括触摸屏(或触控板)设备，其提供到用户的输出和输入。
在一些实施例中，计算设备1600包括I/O控制器1640。I/O控制器1640表示与和用户的交互有关的硬件设备和软件部件。I/O控制器1640可操作用于管理作为音频子系统1620和/或显示子系统1630的部分的硬件。另外，I/O控制器1640例示了用于连接到设备1600的附加设备的连接点，用户可以通过它与系统交互。例如，可以附接到计算设备1600的设备可以包括麦克风设备、扬声器或立体声系统、视频系统或其它显示设备、键盘或辅助键盘设备、或者与诸如读卡器或其它设备之类的特定应用一起使用的其它I/O设备。
如上所述，I/O控制器1640可以与音频子系统1620和/或显示子系统1630交互。例如，通过麦克风或其它音频设备的输入可以提供输入或命令，用于计算设备1600的一个或多个应用或功能。另外，代替显示输出或除了显示输出之外，可以提供音频输出。在另一个示例中，如果显示子系统1630包括触摸屏，显示设备还充当输入设备，其可以至少部分地由I/O控制器1640管理。计算设备1600上也可以有另外的按钮或开关，以提供由I/O控制器1640管理的I/O功能。
在一些实施例中，I/O控制器1640管理设备，例如加速度计、相机、光传感器或其它环境传感器、或者可以包括在计算设备1600中的其它硬件。输入可以是直接用户交互的部分，以及向系统提供环境输入，以影响其操作(例如，滤除噪声、针对亮度检测调整显示、为相机应用闪光灯、或其它特征)。
在一些实施例中，计算设备1600包括电源管理1650，其管理电池电力使用、电池的充电、以及与省电操作有关的特征。存储器子系统1660包括存储器设备，其用于在计算设备1600中储存信息。存储器可以包括非易失性(如果到存储器设备的电力中断，状态不改变)和/或易失性(如果到存储器设备的电力中断，状态不确定)存储器设备。存储器子系统1660可以储存应用数据、用户数据、音乐、照片、文档、或其它数据、以及与计算设备1600的应用和功能的执行有关的系统数据(长期的或暂时的)。
实施例的元件也可以被提供为用于储存计算机可执行指令(例如，用以实施本文所述的任何其它处理的指令)的机器可读介质(例如，存储器1660)。机器可读介质(例如，存储器1660)可以包括但不限于，闪存、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、相变存储器(PCM)、或者适合于储存电子或计算机可执行指令的其它类型的机器可读介质。例如，本公开内容的实施例可以作为计算机程序(例如，BIOS)下载，其可以以数据信号的方式经由通信链路(例如，调制解调器或网络连接)从远程计算机(例如，服务器)传送到请求计算机(例如，客户机)。
在一些实施例中，计算设备1600包括连接1670。连接1670包括硬件设备(例如，无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件部件(例如，驱动器、协议栈)，以使得计算设备1600能够与外部设备进行通信。计算设备1600可以是单独的设备，例如其它计算设备、无线接入点或基站，以及外围设备，例如耳机、打印机或其它设备。
连接1670可以包括多个不同类型的连接。概括而言，计算设备1600被例示为具有蜂窝连接1672和无线连接1674。蜂窝连接1672通常指代由无线载波提供的蜂窝网络连接，例如经由以下各项提供：GSM(全球移动通信系统)或其变型或其派生物、CDMA(码分多址)或其变型或其派生物、TDM(时分复用)或其变型或其派生物、或者其它蜂窝服务标准。无线连接(或无线接口)1674指代不是蜂窝的无线连接，并且可以包括个域网(例如，蓝牙、近场等)、局域网(例如，Wi-Fi)和/或广域网(例，如WiMax)或其它无线通信。
在一些实施例中，计算设备1600包括外围连接1680。外围连接1680包括硬件接口和连接器、以及软件部件(例如，驱动器、协议栈)，用以进行外围连接。会理解，计算设备1600可以是到其它计算设备的外围设备(“至”1682)、以及具有连接到它的外围设备(“自”1684)。计算设备1600通常具有“对接”连接器，用以连接到其它计算设备，用于例如管理(例如，下载和/或上载、改变、同步)计算设备1600上的内容的目的。另外，对接连接器可以允许计算设备1600连接到某些外围设备，其允许计算设备1600控制例如被输出到视听或其它系统的内容。
除了专用对接连接器或其它专用连接硬件以外，计算设备1600可以经由常见或基于标准的连接器进行外围连接1680。常见类型可以包括通用串行总线(USB)连接器(其可以包括多个不同硬件接口中的任何硬件接口)、包括微型显示端口(MDP)的显示端口、高清晰度多媒体接口(HDMI)、火线或其它类型。
在说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其它实施例”的引用表示结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，而不一定包括在全部实施例中。“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的多处出现不一定全都指代同一实施例。如果说明书陈述部件、特征、结构或特性“可以”、“可能”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必需被包括。如果说明书或权利要求书提及“一”元件，这并非表示仅有一个元件。如果说明书或权利要求书提及“附加”元件，那么这并不排除存在多于一个附加元件。
此外，特定特征、结构、功能或特性可以以任何合适的方式结合到一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以与第二实施例结合，只要与这两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不互相排斥。
尽管结合本公开内容的特定实施例描述了本公开内容，但按照前述内容，对于本领域普通技术人员而言，这些实施例的许多替换、修改和变型将是显而易见的。本公开内容的实施例旨在包含落入所附权利要求书的宽泛范围内的所有这些替代、修改和变型。
另外，为了图示或讨论的简单，并且为了不使本公开内容难以理解，在所呈现的附图中可以显示或可以不显示与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，为了避免使本公开内容难以理解，并且还鉴于关于这些框图布置的实施方式的细节高度依赖于实施本公开内容的平台的事实(即，这些细节应该完全在本领域技术人员的见识内)，可以用框图的形式显示布置。在阐明了具体细节(例如，电路)以描述本公开内容的示例性实施例的情况下，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节或者在具有这些具体细节的变型的情况下实践本公开内容。因此，说明书被认为是说明性而非限制性的。
以下示例涉及其它实施例。示例中的细节可以在一个或多个实施例中的任意处使用。也可以相对于方法或过程实施本文所述装置的所有可选的特征。
例如，提供了一种装置，其包括：磁隧道结(MTJ)器件，其具有其自由磁性层和固定磁性层的平面外磁化，并且被配置为具有远离中心并且较接近MTJ器件的切换阈值的磁化偏移；以及用于根据MTJ器件的电阻状态产生随机数的逻辑单元。在一些实施例中，该装置包括激励源，其可操作用于使MTJ器件的自由磁性层从第一电阻状态切换到第二电阻状态。在一些实施例中，该装置包括：耦合到自由磁性层的第一端子和耦合到固定磁性层的第二端子。
在一些实施例中，激励源耦合到第一端子，并且其中，激励源可操作用于将自旋电流注入到自由磁性层。在一些实施例中，第二端子耦合到地。在一些实施例中，逻辑单元耦合到第一端子。在一些实施例中，所述逻辑单元包括用于感测MTJ器件的电阻状态的传感器。在一些实施例中，第一电阻状态是反平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此反平行。
在一些实施例中，第二电阻状态是平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此平行。在一些实施例中，激励源可操作用于将MTJ器件的电阻状态初始化为第一电阻状态。在一些实施例中，MTJ器件由于热能而从第二电阻状态切换到第一电阻状态。在一些实施例中，MTJ器件的尺寸足以适于使MTJ器件由于热能而从第一电阻状态随机地切换到第二电阻状态或从第二电阻状态随机地切换到第一电阻状态。在一些实施例中，可通过增大或减少形成固定磁性层的层数来调节磁化偏移。
在另一示例中，提供了一种系统，其包括：存储器；处理器，其耦合到存储器，该处理器包括随机数发生器，该随机数发生器具有根据上述装置的装置；以及用于允许处理器与另一设备进行通信的无线接口。
在另一示例中，提供了一种方法，其包括：将磁隧道结(MTJ)器件的电阻状态设置为第一电阻状态，该MTJ器件具有其自由磁性层和固定磁性层的平面外磁化并且被配置为具有远离中心且较接近MTJ器件的切换阈值的磁化偏移；激励MTJ器件以使其电阻状态从第一电阻状态变为第二电阻状态；以及响应于激励，在MTJ器件的电阻状态从第二电阻状态变为第一电阻状态时，产生随机数。
在一些实施例中，激励MTJ器件包括使MTJ器件的自由磁性层从第一电阻状态切换到第二电阻状态。在一些实施例中，该方法包括感测MTJ器件的电阻状态以产生随机数。在一些实施例中，第一电阻状态是反平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此反平行，并且其中，第二电阻状态是平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此平行。在一些实施例中，该方法包括将MTJ器件的电阻状态初始化为第一电阻状态。在一些实施例中，包括通过热能使第二电阻状态切换到第一电阻状态。
在另一示例中，提供了一种装置，其包括：金属-绝缘体-金属(MIM)器件，其显示出S形负微分电阻，其中，MIM器件被偏置在其阈值电流；以及逻辑单元，其耦合到MIM器件以感测MIM器件两端的电压并根据所感测到的电压产生随机数。在一些实施例中，该装置包括耦合到MIM器件的激励源，其中，激励源可操作用于改变被输入到MIM器件的电流。在一些实施例中，阈值电流是在其附近MIM器件随机地开和关的电流电平。
在另一示例中，提供了一种系统，其包括：存储器；处理器，其耦合到存储器，该处理器包括随机数发生器，该随机数发生器具有根据上述装置的装置；以及用于允许处理器与另一设备进行通信的无线接口。
在另一示例中，提供了一种装置，其包括：被偏置在高电阻状态的金属-绝缘体-金属(MIM)器件；以及逻辑单元，其耦合到MIM器件以感测通过MIM器件的电流并根据所感测到的电流产生随机数。在一些实施例中，MIM器件是电阻式随机存取存储器件。
在另一示例中，提供了一种系统，其包括：存储器；处理器，其耦合到存储器，该处理器包括随机数发生器，该随机数发生器具有根据上述装置的装置；以及用于允许处理器与另一设备进行通信的无线接口。
在另一示例中，提供了一种装置，其包括：用于将磁隧道结(MTJ)器件的电阻状态设置为第一电阻状态的模块，该MTJ器件具有其自由磁性层和固定磁性层的平面外磁化并且被配置为具有远离中心且较接近MTJ器件的切换阈值的磁化偏移；用于激励MTJ器件以使其电阻状态从第一电阻状态变为第二电阻状态的模块；以及用于响应于激励在MTJ器件的电阻状态从第二电阻状态变为第一电阻状态时产生随机数的模块。
在一些实施例中，用于激励MTJ器件的模块包括：用于使MTJ器件的自由磁性层从第一电阻状态切换到第二电阻状态的模块。在一些实施例中，该装置包括用于感测MTJ器件的电阻状态以产生随机数的模块。在一些实施例中，第一电阻状态是反平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此反平行，并且其中，第二电阻状态是平行状态，其中，自由磁化和固定磁化的平面外磁化的方向彼此平行。
在一些实施例中，该装置包括：用于将MTJ器件的电阻状态初始化为第一电阻状态的模块。在一些实施例中，该装置包括：用于通过热能使第二电阻状态切换到第一电阻状态的模块。
在另一示例中，提供了一种系统，其包括：存储器；处理器，其耦合到存储器，该处理器包括随机数发生器，该随机数发生器具有根据上述装置的装置；以及用于允许处理器与另一设备进行通信的无线接口。
提供了摘要，它允许读者确定本技术公开内容的本质和要旨。在理解摘要不用于限制权利要求书的范围或含义的情况下提交了摘要。所附权利要求书由此包含在具体实施方式中，每一个权利要求都独立作为单独的实施例。

Claims (16)

1.一种用于产生随机数的装置，包括：
磁隧道结，所述磁隧道结包括固定磁性结构和自由磁性结构，所述固定磁性结构和所述自由磁性结构具有平面外磁化，其中，所述磁隧道结具有远离中心并且较接近所述磁隧道结的切换阈值的磁化偏移，使得所述磁隧道结通过热能而从第二电阻状态切换到第一电阻状态，其中，能够通过改变所述固定磁性结构的层数或通过改变所述固定磁性结构的直径来调节所述磁化偏移，并且其中，所述磁化偏移是非零的；以及
逻辑单元，其中，所述逻辑单元用于根据所述磁隧道结的电阻状态的变化来产生随机数。
2.根据权利要求1所述的装置，包括激励源，所述激励源用于使所述磁隧道结的所述自由磁性结构从所述第一电阻状态切换到所述第二电阻状态。
3.根据权利要求2所述的装置，包括耦合到所述自由磁性结构的第一端子以及耦合到所述固定磁性结构的第二端子。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述激励源耦合到所述第一端子，并且其中，所述激励源用于将自旋电流注入到所述自由磁性结构。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第二端子耦合到地。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述逻辑单元耦合到所述第一端子。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述逻辑单元包括用于感测所述磁隧道结的电阻状态的传感器。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一电阻状态是反平行状态，其中，所述自由磁性结构和所述固定磁性结构的平面外磁化的方向彼此反平行。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第二电阻状态是平行状态，其中，所述自由磁性结构和所述固定磁性结构的平面外磁化的方向彼此平行。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述激励源用于将所述磁隧道结的电阻状态初始化为所述第一电阻状态。
11.一种用于产生随机数的方法，包括：
将磁隧道结器件的电阻状态设置为第一电阻状态，所述磁隧道结器件包括自由磁性结构和固定磁性结构，所述自由磁性结构和所述固定磁性结构具有平面外磁化，并且所述磁隧道结器件被配置为具有远离中心并且较接近所述磁隧道结器件的切换阈值的磁化偏移，其中，能够通过改变所述固定磁性结构的层数或通过改变所述固定磁性结构的直径来调节所述磁化偏移，并且其中，所述磁化偏移是非零的；
激励所述磁隧道结器件以使其电阻状态从所述第一电阻状态变为第二电阻状态；以及
响应于激励，在所述磁隧道结器件的电阻状态通过热能从所述第二电阻状态变为所述第一电阻状态时，产生随机数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，激励所述磁隧道结器件包括使所述磁隧道结器件的所述自由磁性结构从所述第一电阻状态切换到所述第二电阻状态。
13.根据权利要求11所述的方法，包括感测所述磁隧道结器件的电阻状态以产生所述随机数。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电阻状态是反平行状态，其中，所述自由磁性结构和所述固定磁性结构的平面外磁化的方向彼此反平行，并且其中，所述第二电阻状态是平行状态，其中，所述自由磁性结构和所述固定磁性结构的平面外磁化的方向彼此平行。
15.根据权利要求11所述的方法，包括将所述磁隧道结器件的电阻状态初始化为所述第一电阻状态。
16.一种系统，包括：
存储器；
处理器，所述处理器耦合到所述存储器，所述处理器包括随机数发生器，所述随机数发生器具有根据装置权利要求1至10中任一项所述的装置；以及
无线接口，所述无线接口用于允许所述处理器与另一设备进行通信。
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