CN109804348A

CN109804348A - 改进的随机数发生器，特别是改进的真随机数发生器

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Publication number: CN109804348A
Application number: CN201780061204.8A
Authority: CN
Inventors: N·马萨里; F·阿克比; G·丰塔纳; D·斯托帕; N·佐齐; L·帕韦西; M·萨拉; A·迈尼盖蒂; L·加斯帕里尼; Z·比萨迪; A·托马西; G·普科; C·皮埃蒙特
Original assignee: Trentino Development Co
Current assignee: Trentino Development Co
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-05-24
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: ES2858452T3; US11080022B2; US20190205100A1; CN109804348B; EP3529694B1; KR102190209B1; EP3529694A1; IT201600106164A1; WO2018073802A1; KR20190055179A

Abstract

本发明是一种随机数发生器(1)，该随机数发生器(1)包括光子源(2)、被配置成检测属于由光子源(2)生成的供检测光子流(λ)的至少一个光子的一个或多个光子检测器(31)、与光子检测器(31)可操作地相关联并被配置成基于供检测光子(λ)中的每一者的到达时间来实现用于提取二进制序列的逻辑方法的电子采样装置(4)。在随机数发生器(1)中，光子源(2)和光子检测器(31)彼此毗邻并被集成在单个半导体衬底(5)中。

Description

改进的随机数发生器，特别是改进的真随机数发生器

描述

本发明涉及随机数发生器(RNG)，特别是改进型的真随机数发生器(TRNG)。

已知随机数发生器目前用于许多应用中，范围从科学领域到加密领域。

在第一种情形中，典型的示例是计算科学中的随机数发生器，其要求生成用作模拟的初始状态的描述的一定数目的随机初始状态。

这种类型的应用一般要求初始配置彼此不严格相关，但是可以以确定的方式再现，以便使得验证例如变化对执行各模拟的代码的影响成为可能。出于这个原因，所述序列被更正确地定义为伪随机数(PRN)，因为它们通过始自初始值的复杂算法来定义。换言之，给定一个初始随机数(在技术术语中被称为“种子”)，无论一个公式多么复杂，其将总会重现同一随机数序列。相应的发生器被称为伪随机数发生器(PRNG)。

相反，在第二种情形中，意味着当在用于执行例如银行操作的密码技术中使用随机数时，上述办法看起来很弱，因为必须确保所生成的序列是绝对不可预测的，以便能够保证高度敏感信息的安全。在这种情形下，最安全的办法涉及生成从生成过程获得的随机数，该生成过程必须真正是随机过程，并且不能允许以任何方式预测要生成的序列。事实上，这些发生器被称为真随机数发生器(TRNG)。特别地，量子机制(诸如例如由光源生成光子)是用于获得所述真随机数序列的最多经研究的方法之一，并且基于所测量事件的不确定性，该不确定性是量子系统本身的属性之一。

从信息理论的角度来看，通过以上所提及的两种技术生成的随机数的不可预测性水平可以通过被定义为“熵”的参数来表示，该参数“熵”事实上被称为存在于随机变量中的信息的不确定性的度量。

此外，重要的是强调美国国家标准与技术研究院(NIST)通过其NIST SP800-22指令指定了大约15个统计测试，这些测试使得确定给定的随机数发生器是否具有足够的熵水平成为可能。

如已提及的，将PRNG用于与密码学相关的目的是危险的，不仅因为某些算法存在仅在其引入之后的一段时间内潜在地变得明显的缺陷，而且因为如果一个恶意的人能恢复生成所有随机序列的种子，则他/她能够基于具有绝对确定性的同一种子来预测所有后续输出。

因此，考虑到这些事件的固有不可预测性，基于物理现象特别是基于量子现象的解决方案是更加优选的，甚至对于完全了解所使用的算法并且具有供其支配的高计算能力的主体而言也是更加优选的。然而，虽然可以选择用于生成伪随机数的算法来创建具有以绝对确定性确定的某些统计属性的序列，但实际上，从它们的确定性质来看，始自物理现象所获得的随机数受制于由于例如仪器生产质量、电源波动、环境因素(诸如外部场和温度变化)变化导致的实际限制。通常，与理想情形的这些偏差确定了与均匀统计分布的偏差，该均匀统计分布独立于可在样本空间中测量的事件。因此，甚至可以观察到所述真随机数发生器的熵水平的降低。

为了避免这个缺点，所述真随机数发生器需要进一步的步骤(被称为后处理)，该步骤在始自特定物理现象的随机码序列的提取的下游被执行。事实上，该后处理步骤使得改进随机码序列的概率分布的均匀性成为可能。然而，不利的是所述后处理步骤影响了发生器能够保证的比特率。

如以上已提及的，还已知最常用于生成真随机数的物理现象中的一者是量子光子学。出于这个原因，属于TRNG的宏类别的所述发生器也更具体地用首字母缩略词QRNG(量子随机数发生器)来指示。事实上，在这些发生器中，经衰减光源生成若干光子(供检测光子流λ的低值)，这些光子由一个或多个单光子检测器获取，每个单光子检测器处于首字母缩略词SPAD(单光子雪崩二极管)下。此外，该系统包括位于以上所提及的各SPAD的下游并且由辅助电路并通常由能够通过测量所获取的光子的到达时间或计数所获取的光子来从所述SPAD中的每一者中提取随机比特序列的一个或多个TDC(时间数字转换器)或计数器组成的适当电子电路。

从实现的角度来看，在这些发生器中，光源和一个或多个检测器是需要被方便地耦合和屏蔽的单独的设备。然而，不利的是这种实现显然不能免受不受控制的外部环境因素的影响。此外，光源和一个或多个检测器是连续耦合在一起的单独设备的事实使得整个随机数发生器极易受到任何强制或篡改动作的影响。

此外，还不利的是，由于需要光学上对齐两个设备，所述实现需要高成本的设备。

还已知由所述发生器生成的光子流服从泊松过程，这意味着所获取的事件彼此独立，并且在观察窗口T_w内计数n个光子的概率遵循泊松分布：

其中λ事实上指示供检测光子流。

供检测光子流λ、SPAD检测器的特性和比特提取模式确定了发生器的最终性能。

已经解释了所有上述内容，应当注意的是，市场上可以获得基于QRNG概念的不同类型的随机数发生器。这些发生器特别地涵盖了广泛的应用，从仅提供几百kbit/sec的USB便携式设备到能够保证数百Mbit/sec的比特率的大型电子系统。此外，在关于该主题的现有文献中，已经提议了若干逻辑和架构，其被配置成用于确定始自物理现象，特别是始自光子检测的真随机数序列。这些中的大多数检测入射到一个或多个SPAD检测器的敏感表面上的光子的“到达时间”或数目。

特别地，关于基于所谓的到达时间的技术，已经提议测量从光子与单个SPAD接触的时刻到下一连续光子与同一SPAD接触的时刻所经过的时间。然而，尽管该技术使得获得高比特率成为可能，但是由于如已经解释的那样光子源服从所述泊松过程的事实，该技术呈现出相当大的偏差。

为了克服这个缺点，已知技术提议直接在光子源上采取动作，以方便地控制由所述源生成的光子流。该操作特别地包括光子源的导频电流的变化，旨在使其随时间的统计分布尽可能均匀。

然而，不利的是这种办法要求在随机数发生器中引入特定的电子电路，其中所述电路应当能够如以上所解释的引导光子源，从而增加了发生器本身的复杂性和大小。

本发明旨在克服所有以上所提及的缺点。

特别地，本发明的一个目的是提供一种真随机数发生器，该真随机数发生器使得以至少通过由NIST定义的统计测试的方式保证高熵水平成为可能。

本发明的进一步的目的是提供一种真随机数发生器，该真随机数发生器使得在随机比特序列的生成中获得高比特率成为可能。

本发明的另一目的是提供一种真随机数发生器，该真随机数发生器具有比现有技术中已知的随机数发生器更紧凑、更稳健、更不复杂的结构。

同样，本发明的另一目的是提供一种真随机数发生器，该真随机数发生器呈现高水平的安全性，以抵抗任何强制或篡改其内部组件的尝试。

本发明的另一个但并非最不重要的目的是提供一种与现有技术的发生器相比更经济的真随机数发生器。

上述目的通过具有在主权利要求中描述的特性的真随机数发生器来实现。

特别地，本发明主题的真随机数发生器包括具有供检测光子流λ的光子源，一个或多个光子检测器(优选地单光子检测器(SPAD))，以及与所述一个或多个光子检测器可操作地相关联以便基于在所述光子检测器中检测到的光子数目来生成比特序列的电子采样装置。

所述真随机数发生器的特征在于光子源和一个或多个光子检测器被并排放置并被集成在单个半导体衬底中。

在通过参考附图的非限制性示例提供的对本发明的优选实施例的描述中，所述目的以及下文所描述的优点被突出显示，其中：

-图1示出了本发明主题的随机数发生器的第一实施例的示意图；

-图2示出了作为图1中所示的实施例的替换的本发明的随机数发生器的第二实施例的示意图；

-图3示出了作为图1中所示的第一实施例和图2中所示的第二实施例的替换的本发明的随机数发生器的第三实施例的示意图；

-图4示出了作为图1中所示的实施例的替换的本发明的随机数发生器的第四实施例的示意图；

-图5示出了根据CMOS微加工技术制成的本发明的随机数发生器的实施例的一示例的截面图；

-图6示出了使用本发明的随机数发生器实现的第一逻辑提取算法的应用的时序图；

-图7示出了图6的逻辑提取算法的应用的时序图，包括与图6中所表示的那些相比的一些另外的可选步骤；

-图8至10示出了使用本发明的随机数发生器实现的第二逻辑提取算法的应用的时序图。

本发明主题的随机数发生器(RNG)，特别是本发明的真随机数发生器(TRNG)，在图1至4中被示意性地示出，其中该随机数发生器由1指示。

如在以上所提及的附图中可以观察到的，本发明的随机数发生器1包括具有等于λ的供检测光子流的光子源2。

不能排除的是，根据例如图4中所表示的替换实施例，发生器1可包括多于一个光子源2。

根据本发明的优选实施例，如图1所示，随机数发生器1还包括光子检测器31的阵列3。

优选但非必要地，所述检测器中的每一者通常是由首字母缩略词SPAD标识的单光子检测器31。

特别地，如以上已提及的，单个SPAD检测器31能够检测并提供与其敏感容量内的单个光子的入射有关的信息以及可能与具有预先确立的持续时间的观察窗口内的光子的到达时间有关的信息作为输出。

在两个连续的观察窗口之间，每个SPAD检测器31经历恢复初始条件的步骤(在技术术语中被称为时滞)，在此期间同一SPAD 31不能检测任何光子。

根据图1所解说的本发明的优选实施例，在SPAD型光子检测器阵列3中，每个SPAD检测器31与其他SPAD检测器31并联地独立工作，但阵列3具有用于从外部读取由同一SPAD31的阵列3生成的信号的单个公共输出端。

如从图1中可以明显看出的，具有SPAD检测器31的阵列3的优点在于由光子源2生成的光子的检测的立体角被扩大，并且还在于任何时滞减少，从而增加发生器本身的吞吐量。

然而，不能排除的是，根据图2所解说的本发明的替换实施例，随机数发生器1可总是包括SPAD检测器31的阵列3，然而，其中每个SPAD检测器31独立于其他SPAD检测器31，这意味着该SPAD检测器31可以朝向外部生成独立于由其他SPAD检测器31生成的信号的信号。此外，根据本发明的随机数发生器1的不同实施例(图中未示出)，所述阵列3可被划分成SPAD检测器31的子集，每个子集包括预先确立数目的SPAD检测器31，这些SPAD检测器31以朝向外部生成单个信号的方式彼此并联相连。

在后一种情形下，所述SPAD检测器31的子集中的每一者可以独立于其他子集与外部接口连接。

这种独立性有利地使得从随机数发生器1并行提取随机二进制序列成为可能，从而增加该随机数发生器1的比特率。

此外，根据图3中所解说的不同实施例，本发明的随机数发生器1可包括仅一个SPAD检测器31。

同样，如已提及的，本发明主题的随机数发生器1的第四实施例可包括多个光子源2，每个光子源2与光子检测器31的阵列3相关联，如图4所示。换言之，如果光子源2与一个或多个光子检测器31的组合被定义为像素，则所述本发明的随机数发生器1的第四实施例可被视为使得并行操作随机数的提取成为可能的像素矩阵。

关于光子源2，根据优选实施例，该光子源2还包括至少一个SPAD。在这种情形下，用作接收机的SPAD检测器31的阵列3和至少包括所述SPAD的光子源2两者均以在具有相同极化电压的所谓盖革模式下工作的方式被配置和极化。

如以上已提及并如图1至4中示意性示出的，本发明的随机数发生器1还包括电子采样装置4，在图1的优选实施例的情形下，该电子采样装置4可操作地连接到所述公共输出端以用于读取由SPAD检测器31的阵列3生成的信号。

替代地，关于图2所示的实施例，电子采样装置4被提供用于属于阵列3的每个SPAD检测器31，而在图3所示的第三实施例中，存在用于单个SPAD检测器31的单个电子采样装置4，而最终在图4所表示的第四实施例中，电子采样装置4被提供用于每个像素。

在任何情形下，所述电子采样装置4被配置成实现预定义的逻辑方法或算法，用于基于所述光子在相应SPAD检测器31上的到达时间来提取二进制序列。所述逻辑提取方法的一些优选示例在下文详细描述。

根据本发明，在随机数发生器1中，所述光子源2和SPAD检测器31的阵列3或单个SPAD检测器31被并排执行并被集成在单个半导体衬底5中。

这使得由光子源2生成的供检测光子流λ通过已用来制成所述组件的半导体材料流向定位于其旁边的SPAD检测器31的阵列3(被称为“光学串扰”的现象)，这不同于发生在现有技术的随机数发生器中的现象，其中相同的光子流过所述物理上彼此不同的两个组件之间的中间空耦合空间。

有利地，所述经集成配置使得本发明的随机数发生器1比已知类型的发生器更紧凑并且在结构上更不复杂。

此外，由于随机数发生器1的所有组件的集成，该随机数发生器1更加稳健并且免受外部环境影响以及恶意人员的任何强制或篡改企图。

这种集成配置以及因此光子源2和一个或多个SPAD检测器31之间的这种直接耦合相对于使用分束器的解决方案是有利的，因为它们获得SPAD检测器31的均匀照明而无需确保该分束器始终处于完全对齐的状态。

根据本发明的优选实施例，光子源2和SPAD检测器31的阵列3以用掺杂分布方面的相同的化学-物理结构定义所述元件的方式通过相同的制造步骤在所述半导体衬底5上被制成。更确切地说，如以上所提及的，甚至光子源2也可以以与完全等同于属于所述阵列3的各SPAD 31的SPAD相同的化学-物理结构被制造。

有利地，这使得极大地降低构成本发明的随机数发生器1的各个组件的生产成本成为可能，因为在同一半导体衬底5上获得一个或多个光子源2和/或一个或多个SPAD检测器31是可能的，而无需改变，特别是无需增加制造步骤的数目。

关于半导体衬底5，根据本发明的优选实施例，该半导体衬底5是硅衬底51。

然而，不能排除在本发明的不同实施例中，为了提高发射极-源极耦合的效率，所述半导体衬底5可由不同于硅的半导体材料制成。

关于SPAD检测器31的阵列3，已知它们中的每一者以在被方便地极化的同一SPAD检测器31经受其敏感容量内的光子的影响时允许出现在技术术语中被称为“雪崩产生”的现象的方式主要通过方便掺杂的pn结来获得。

关于光子源2，它也以在所述源2被方便地正向偏置或反向偏置时生成供检测光子流λ的方式通过方便掺杂的p-n结来定义。

特别地，根据本发明的优选实施例，光子源2以获得主要被包括在800nm和1000nm之间的供检测光子流λ的发射光谱的方式来配置。在该光谱中，每个SPAD检测器31的效率可被认为不是过高(小于10％)。因此，估计为了获得例如大约500,000计数/秒的检测率，有用的光子速率(从光子源2到达一个或多个SPAD检测器31的敏感容量的光子流)需要高于5,000,000ph/sec。

因此，回到随机数发生器1的制造，光子源2和SPAD检测器31的结构都具有pn结作为其主要特征的事实确保了上述优点，这意味着可以执行相同的制造步骤来制成所述光子源2和SPAD检测器31。

优选但非必要地，根据本发明的优选实施例，通过相同的制造步骤获得的光子源2和SPAD检测器31具有相同的化学-物理结构。

然而，不能排除在本发明的随机数发生器1的不同实施例中，即使光子源2和SPAD检测器31通过相同的制造步骤来获得，光子源2和SPAD检测器31也可以以不同的化学-物理结构，特别是以不同的大小和/或不同的掺杂水平来制成。

关于用于在半导体衬底5中集成所述组件的技术，根据本发明的优选实施例，该技术是集成电路的微加工的CMOS或CMOS兼容技术。

使用所述CMOS微加工技术的优点在于在半导体衬底5中集成SPAD检测器31的阵列3的输出信号的所述采样装置4也是可能的。

通过所述CMOS微加工技术获得的本发明的可能的随机数发生器1的示例在图5中以截面图示意性地表示。更详细地，所述随机数发生器1使用p型100的掺杂衬底/外延结构，其中，深n阱101被创建并且定义具有p+型102植入的光子源2和SPAD检测器31的结被制成。.此外，为了避免在敏感区域的边缘处比在同一敏感区域的中心处更高的电场，“保护环”103的结构被优选地提供，以围绕p+植入102创建具有p阱的环。

然而，不能排除在本发明的不同实施例中，用于制造光子源2和SPAD检测器31的技术可以是定制类型的技术。该最后解决方案所提供的优点在于本发明的随机数发生器1的制造步骤可被优化，以便获得光子源2和SPAD检测器31。

根据利用定制制造技术的随机数发生器的实现的一示例，SPAD检测器31和光子源2可被集成在p型掺杂外延结构/衬底中，其中所谓的“浅”植入和增强植入在外延结构中被定义，所述“浅”植入是更表面的、是n+型并与外延结构同心，但具有更少的延伸，而所述增强植入是p-型并具有减少的掺杂，但在任何情形下该掺杂高于外延结构的掺杂。

以这种方式，所谓的具有“虚拟保护环”的结构被创建。为了避免由两个植入所共享的共有外延结构引起的与“电荷串扰”或“电荷注入”相关的问题，可以将光子源和一个或多个光子检测器分开，将它们放置在合适的距离处，或创建围绕限定光子源的区域和限定一个或多个检测器的区域两者的深沟槽。最终，另一选项是可以创建辅助结，该辅助结在被方便地偏置时收集可从光子源传递到一个或多个检测器的过量电荷。沟槽的创建还将减少光学串扰，而光学串扰反而是期望的特性。然而，这种减少不超过30-50％量级的百分比，因此如果它带来完全消除所述问题的益处，则它是可接受的。

如以上已解释的，本发明的随机数发生器1被配置成可替代地允许光子源2正向偏置或反向偏置，以便生成供检测光子流λ。

在反向偏置的情形下，光致发光在以受控方式但根据随机间隔发生的雪崩产生现象期间被利用。

在正向偏置的情形下，与反向偏置相比在给定所应用的较低电压时，所产生的光子以非常相似于反向偏置的情形的方式来表现并且生成效率(每经传递电荷的光子)相对相似或更高，但正向偏置可以降低耗散功率。

事实上，为了指示幅度的量级，正向偏置光子源2需要几伏的电压，而反向偏置光子源需要几十伏的电压。

因此，正向偏置光子源2还将有利地使得减小使光子源2本身与SPAD检测器31的阵列3电绝缘所需的空间成为可能。因此，仍然有利的是，所述正向偏置光子源2由于用于制成发生器本身的硅量较低而使获得随机数发生器1的更紧凑的设计和更低的成本成为可能。

然而，由于光子源2和SPAD检测器31的结构和制造技术相似或甚至相同，因此由反向偏置提供的优点在于相同的电压可被用于偏置两个组件。

特别地，该最后的解决方案使得降低结构和外部电路两者的复杂性和整体尺寸成为可能：光子源2和SPAD检测器31事实上可以共享相同的植入，具有共有的端子，并因此它们可以彼此靠近移动，从而减少所占用的空间，同时改进它们的光学耦合。

在任何情形下，生成少量光子的光致发光过程的极低效率有利于“量子检测”，因为一个或多个SPAD检测器31按定义对单个光子敏感。

如以上已提及的，根据本发明的优选实施例，电子采样装置4也与光子源2和SPAD检测器31的阵列3一起被集成在半导体衬底5中。

在这种情形下，作为被配置成读取由SPAD检测器31的阵列3生成的一个或多个信号的附加，所述电子采样装置4可以有利地被配置成直接且容易地控制光子源2的操作条件并校正任何偏置参数，或者启用或排除发射机，以便获得期望的光子流或期望的比特率。

此外，根据本发明的优选实施例，随机数发生器1在其上表面1a处被覆盖有光抑制滤波器6。特别地，优选地但不是必须地，所述光抑制滤波器6包括金属化层61，该金属化层61可作为最后的金属化层例如通过CMOS技术在生产过程期间被直接制成。该解决方案具有屏蔽一个或多个SPAD检测器31免受外部光影响的功能，///并因此使其仅对由于串扰现象从光子源2通过半导体衬底5传递的光子敏感。此外，金属化层61还具有改进由半导体衬底，特别是硅衬底发射的光子的耦合、将由同一光子源2生成的辐射向内反射并从而防止其从硅衬底中射出的功能。这进一步导致光子源2和SPAD 31的阵列3之间的改进的光学耦合。

此外，有利地，金属覆盖物还具有保护随机数发生器1免受恶意人员利用系统功能进行任何篡改尝试的功能。

因此，所述金属化的存在使得保证由本发明的所述发生器1生成的随机数的更高安全性和可靠性成为可能。

最终，可选地，本发明的随机数发生器1还可包括电子后处理装置7，该电子后处理装置7被配置成接收由所述电子采样装置4提取的二进制序列作为输入，进而与SPAD检测器31的阵列3相关联。

所述电子后处理装置7被配置成以执行所谓的“漂白”操作的方式处理所述二进制序列。

该“漂白”操作指示旨在改进所生成的二进制序列的统计属性的多个压缩操作。因此，有利地，所述进一步的后处理步骤使得增加本发明的随机数发生器1的熵水平成为可能。

如以上已提及的，根据优选实施例被连接到SPAD检测器31的阵列3、或替代地连接到所述SPAD检测器31的子集、或连接到仅一个SPAD检测器31、或甚至连接到单个像素的采样装置4以实现旨在基于在所述SPAD检测器31的阵列3中、在子集中、在所述仅一个SPAD检测器31中或甚至在单个像素中检测到的数个光子提取二进制序列的逻辑提取方法的方式来配置。

根据本发明，通过本发明的随机数发生器1的所述采样装置4来实现的第一逻辑提取方法包括将每个SPAD检测器31的观察窗口细分为具有相同持续时间的多个连续观察子窗口T_w以及比较在所述连续观察子窗口T_w内的供检测光子的到达时间。始自参考时钟(图6的示图中由CLK指示)生成所述观察子窗口T_w，该参考时钟的占空比限定了SPAD检测器31处于时滞的时间(CLK＝H)。

特别地，本文提议的逻辑提取方法包括在每个子窗口T_w处，借助于时间数字转换器(TDC)或者替换地通过被称为时间模拟转换器的模拟仪器来测量第一光子的到达时间。图6中所示的示图表示分别在各观察子窗口T_w1、T_w3和T_w4处的光子TDC1、TDC3和TDC4的检测。对于每对毗邻的观察子窗口(在图6的示例中是窗口对T_w1-T_w2和T_w3-T_w4)，检测到的相应光子的到达时间被比较。通常，在通过本发明的逻辑提取方法来执行的比特提取过程中，当针对该对的第一子窗口检测到的到达时间高于针对第二子窗口检测到的到达时间时，比特“1”被指派，而在相反的情形下，比特“0”被指派。

逻辑提取方法此外包括下文所述的三种极限情形。

在第一种极限情形下，在一对的两个观察子窗口的任一者中都没有检测到光子。在这种情形下，不指派比特。

在第二种情形下，在两个毗邻观察子窗口处检测到的两个光子的到达时间彼此完全对应。根据本发明的逻辑提取方法，在这种情形下，也不指派比特。

在由本发明的逻辑提取方法设想的第三种情形下，在一对的两个观察子窗口中的一者中没有检测到光子，而在另一观察子窗口中检测到具有特定到达时间的光子。

根据本发明，逻辑提取方法还考虑到针对实际上没有检测到光子的子窗口的到达时间，并且该到达时间被认为长于观察子窗口的总持续时间。根据上述逻辑，这有利地使得在所述第三极限情形下也指派比特成为可能。

例如，在图6所示的情形下，关于第一对子窗口T_w1-T_w2，本发明的逻辑提取方法在给定TDC1<T_w2(TDC2)时指派等于0的比特，而关于第二对T_w3-T_w4，逻辑提取方法在给定TDC3>TDC4时指派等于1的比特。将本发明的所述逻辑提取方法与本领域已知的到达间时间(图6中由t₁₂和t₂₃指示)的测量进行比较，可以观察到在第二情形下，为了生成比特必须检测每对中至少两个光子，而在相同条件下，本发明的逻辑提取方法可以生成最大数目的比特，该最大数目等于2，即等于检测到的光子的数目。这意味着，考虑偶数N个观察子窗口，本发明提议的逻辑提取方法有利地能够提取最大数目的N/2个比特。

可选地，根据本发明的逻辑提取方法，所提取的比特的数目通过与毗邻子窗口对比较由所述第一比较产生的到达时间来扩展。事实上，如在图7的示例中可以观察到的，必须始自在前一比较阶段(第一阶段)中标识的最短到达时间(一方面的TDC0₁和TDC1₄以及另一方面的TDC0₅和TDC0₇)(或替代地最长到达时间)来进行连续比较。在这种情形下，考虑偶数N个观察子窗口，本发明的逻辑提取方法能够提取最大数目的N-1个比特。

时间子窗口T_w的最小化将允许与入射光子流相兼容地比特率的潜在增加。

尤其重要的是要突出由以上刚描述的逻辑提取方法提供的解决方案本身可以要求保护，而无需在根据本发明的优选实施例或根据以上刚描述的替换实施例制成的随机数发生器1中实现所述逻辑提取方法。事实上，所述最后的解决方案独自使得增加发生器的效率成为可能，该解决方案可在该发生器上被实现，以便增加最终比特率，同时保证对外部参数(诸如光子流和温度)的可能变化的良好抗扰性。

替换地，下文提议了一种第二逻辑提取方法，该第二逻辑提取方法是本发明的一部分并且可以在随机数发生器1的采样装置4中被实现。考虑到SPAD检测器的固有缺陷，所述第二逻辑提取方法特别地基于单个光子的到达时间的测量。

事实上，所述逻辑提取方法是简单的并易于实现的、稳健的、能够生成高质量的随机数、并且适合应用于完全集成在半导体衬底中的随机数发生器。

该逻辑提取方法主要具有应对由光子源生成的光子流的发射的变化的目的。出于这一目的，逻辑提取方法基本上包括将针对光子检测器31中的每一者的单个光子的观察时间窗口细分为具有时间间隔和子间隔的结构来作为其主要特征。

优选地，每个观察窗口被细分为多个间隔I，间隔I中的每一者进而被划分成具有相同持续时间的N个子间隔sS，其中N>2。子间隔sS中的每一者与一符号相关联，以便在单个光子在所述时间子间隔中的一个且仅一个时间子间隔中被检测到的情形下生成随机数。应当注意，与所述子间隔sS中的一者相关联的所述符号中的每一者是单义的，并且不同于与其余子间隔sS相关联的各符号。

在优选实施例中，如图8中示意性地表示的，子间隔sS的数目N等于16，并且在这种情形下，所使用的符号对应于十六个十六进制数字(0、1、2、3…D、E、F)。

然而，不能排除与符号相关联的子间隔sS的数目N可以不同于16，只要该子间隔sS中的每一者与单义符号相关联，该单义符号不同于与其他子间隔相关联的那些符号。

如以上已提及的，由于在半导体衬底中制成的SPAD检测器实际上存在一些非理想性，因此本发明的逻辑提取方法为以上所解说的将每个间隔I细分为子间隔sS的概念添加进一步的特性，以便最小化所述非理想性的影响。

更详细地，所述非理想性包括在SPAD检测器领域中公知的现象，诸如跟随脉冲、时滞、抖动和暗计数。

所有这些不期望的现象很大程度上取决于温度、组件老化、偏置电压等。

特别地，跟随脉冲现象可以强烈地影响光子源，使得它不会服从反之通常应当遵循的泊松过程。

应当假设下文所介绍的逻辑提取方法的特性具有改进检测过程的某些方面的目的，这些方面不可避免地受制于关于一个或多个检测器和采样装置两者的非理想性。

关于作为图8中所表示的细分的替换的所述本发明的逻辑提取方法的进一步特性，首先这些特性包括将所述时间间隔I细分为至少2N个子间隔，其中第一N个子间隔是与符号相关联的子间隔sS，而其余的第二N个子间隔sN1不与任何符号相关联，这意味着在光子恰好在后一子间隔sN1期间撞击检测器的情形下，不能生成随机数。

特别地，如在图9中所示的间隔I的表示中可以观察到的(与图8中所示的间隔I相比更复杂)，每个子间隔sN1按时间被插入在两个连续的子间隔sS之间。

根据本发明的优选实施例，如图8所示，逻辑提取方法包括将所述时间间隔I细分为32个子间隔，其中16个子间隔sS与符号相关联，而其余的16个子间隔sN1不与任何符号相关联。

该特性通常导致减轻检测器的子间隔之间的时滞的影响以及电子抖动影响的技术结果。

此外，根据本发明的逻辑提取方法，每个间隔I包括进一步的M个子间隔sN2，其中M>2并优选地M＝2N，该M个子间隔被连续地布置并在以上所描述的所述2N个子间隔sN1和sS之前(或者替代地在其之后)被定义。所述进一步的M个子间隔sN2也不与任何符号相关联，并因此，在这种情况下，如果光子在所述进一步的子间隔sN2期间撞击检测器，则不生成随机数。

优选地，如在图9中始终示出的，根据本发明的逻辑提取方法，每个间隔I包括进一步的32个子间隔sN2，该32个子间隔被连续地布置并在以上所描述的所述32个子间隔sN1和sS之前(或者替换地在其之后)被定义。该进一步的特性导致屏蔽跟随脉冲的影响以及间隔I之间的时滞的影响的技术结果。

同样，本发明的逻辑提取方法的进一步的特性是超间隔SI的定义，该超间隔SI的持续时间优选地对应于每个光子检测器的观察窗口的持续时间，并进而包括16个连续间隔I，该连续间隔I中的每一者被提供有所述64个子间隔sN1、sN2和sS，如图10所示。特别地，根据两个连续间隔I之间的逻辑提取方法，与符号相关联的子间隔sS循环地错开一个位置，如图10中始终示意性地表示的。例如，自图10的左边的第一间隔I存在从0到F排序的子间隔sS，而紧邻的间隔I存在从F到E排序的子间隔sS，并且对于各连续的间隔I依此类推。

该特性有利地使得获得将由于计数器和逻辑电路导致的抖动重新分配给所有符号的技术结果成为可能。根据以上刚描述的逻辑提取方法的替换实施例，不能排除属于所述超间隔SI的间隔I的数目可以不同于16。

尤其应当注意，所提议的逻辑提取方法的解决方案本身可以要求保护，而无需在根据本发明的优选实施例或根据上述替换实施例的随机数发生器1中实现所述逻辑提取方法。事实上，所述最后的解决方案独自使得增加发生器的效率成为可能，该解决方案可在该发生器上被实现，以便增加最终比特率，并同时保证对外部参数(诸如光子流和温度)的可能变化的良好抗扰性。

因此，根据上文，本发明的随机数发生器实现了所有设定目的。

特别地，本发明实现了以下目的：提供一种随机数发生器，该随机数发生器使得以至少通过由NIST定义的统计测试的方式保证高熵水平成为可能。

本发明进一步实现了以下目的：提供一种随机数发生器，该随机数发生器使得在随机比特序列的生成中获得高比特率成为可能。

本发明还实现了以下目的：提供一种随机数发生器，该随机数发生器具有比现有技术的随机数发生器更紧凑、更稳健、更不复杂的结构。

同样，本发明还实现了以下目的：提供一种随机数发生器，该随机数发生器具有高水平的安全性，以抵抗任何强制和篡改其内部组件的尝试。

最终，本发明还实现了以下目的：提供一种随机数发生器，该随机数发生器比现有技术的发生器更经济。

Claims

1.一种类型的随机数发生器(1)，包括：

-光子源(2)；

-一个或多个光子检测器(31)，所述一个或多个光子检测器(31)以检测属于由所述光子源(2)生成的供检测光子流(λ)的至少一个光子的方式来配置；

-电子采样装置(4)，所述电子采样装置(4)与所述一个或多个光子检测器(31)可操作地相关联并以基于所述供检测光子(λ)中的每一者的到达时间来实现用于提取二进制序列的逻辑方法的方式来配置；

其特征在于，所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)被布置，使得所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)彼此毗邻并被集成在单个半导体衬底(5)中。

2.根据权利要求1所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)以用掺杂分布方面的相同的化学-物理结构定义所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)的方式通过相同的制造步骤在所述半导体衬底(5)上被制成。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述半导体衬底(5)是硅衬底(51)。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述一个或多个光子检测器(31)中的每一者是被配置成在盖革模式下操作的SPAD型的光子检测器(31)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述光子源(2)是通过正向偏置被方便地掺杂以用于生成所述供检测光子流(λ)的p-n结，所述一个或多个光子检测器(31)中的每一者在所述光子源(2)的旁边被执行并被配置成在反向偏置下操作。

6.根据权利要求5所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述光子源(2)被配置成在正向偏置下以几伏的偏置电压操作，所述一个或多个光子检测器(31)中的每一者被配置成在反向偏置下以负几十伏的偏置电压操作。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)通过集成电路的微加工的CMOS技术在所述半导体衬底(5)中被制成。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述电子采样装置(4)以与所述光子源(2)和所述一个或多个光子检测器(31)一起被集成在所述半导体衬底(5)中的方式被制成。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述随机数发生器(1)的上表面(1a)被覆盖有光抑制滤波器(6)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述逻辑提取方法包括以下步骤：

-将所述光子检测器(31)中的每一者的观察窗口细分为具有相同持续时间的多个连续观察子窗口(T_w、T_w1、T_w2、T_w3、T_w4)；

-检测所述观察子窗口(T_w、T_w1、T_w2、T_w3、T_w4)中的每一者中的第一光子的到达时间；

-在所述光子检测器(31)在所述观察子窗口(T_w、T_w1、T_w2、T_w3、T_w4)中的一者或多者期间没有检测到光子的情形下，所述光子在所述一个或多个观察子窗口(T_w、T_w1、T_w2、T_w3、T_w4)的到达时间被认为是长于所述一个或多个观察子窗口(T_w、T_w1、T_w2、T_w3、T_w4)的总持续时间；

-比较在一对毗邻观察子窗口(T_w1-T_w2、T_w3-T_w4)处检测到的到达时间；

-在针对所述对(T_w1-T_w2、T_w3-T_w4)的第一子窗口(T_w1、T_w3)检测到的到达时间超过针对第二子窗口(T_w2、T_w4)检测到的到达时间的情形下，指派比特“1”，或者在针对所述对(T_w1-T_w2、T_w3-T_w4)的第二子窗口(T_w2、T_w4)检测到的到达时间超过针对第一子窗口(T_w1、T_w3)检测到的到达时间的情形下，指派比特“0”。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的随机数发生器(1)，其特征在于，所述逻辑提取方法包括以下步骤：

-将所述光子检测器(31)中的每一者的观察窗口细分为多个间隔(I)；

-将所述间隔(I)中的每一者细分为M+2N个子间隔(sS、sN1、sN2)，其中N和M>2；

-为第一N个子间隔(sS)中的每一者指派一符号，所述符号是单义的并且不同于与其余所述第一N个子间隔(sS)相关联的各符号；

-定义第二N个子间隔(sN1)使得所述第二N个子间隔(sN1)中的每一者按时间被插入在所述第一连续N个子间隔(sS)中的两者之间，所述第二N个子间隔(sN1)不与任何符号相关联；

-在所述第一N个子间隔(sS)和所述第二N个子间隔(sN1)之前或之后定义M个子间隔(sN2)，所述M个子间隔(sN2)不与任何符号相关联；

-对于每对所述连续间隔(I)，与所述对的所述间隔(I)中的第一者的所述第一N个子间隔(sS)相关联的所述符号相对于与所述对的所述间隔(I)中的第二者的所述第一N个子间隔(sS)相关联的所述符号循环移位一个位置；

-在所述观察窗口期间，确定在与符号相关联并属于所述间隔(I)中的一者的所述第一N个子间隔(sS)中的哪一个子间隔中检测到光子；

-基于与检测到所述光子的所述第一子间隔(sS)相关联的符号生成所述二进制序列。