CN111596891B - 真随机数发生装置及发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真随机数发生装置及发生方法。所述发生装置包括控制模块、随机数发生模块和随机数读取模块；所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结；所述控制模块用于基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号；所述随机数读取模块用于基于所述控制模块传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号，本发明可解决现有技术中真随机数发生器硬件开销大、工作频率受限和高功耗的问题。

Description

真随机数发生装置及发生方法

技术领域

本发明涉及自旋电子和安全应用技术领域，尤其涉及一种真随机数发生装置及发生方法。

背景技术

真随机数发生器(True random number generator，TRNG)是硬件安全的核心电路之一，主要应用于密钥生成、数据加密和消息认证等方面。随着网络实体的爆炸式增长，硬件安全的应用场景也从电脑主机扩展到更加轻便、低成本、低功耗和高性能的手机、平板和可穿戴设备等产品。而且，网络数量和复杂性的持续增加对应用的安全性要求也日益提高。传统的安全电路主要由晶体管组成，创建了成功的安全基元和协议。但是，大多数现行的安全电路不仅速率慢，功耗大，硬件开销大，而且容易受到物理攻击，如辐射，无法满足当下物联网与大数据时代对于安全电路的高性能要求。

非易失性存储器的自旋电子器件具备低功耗、快速读写、集成度高、使用寿命长和便于3D集成等优点，且受辐射影响远小于晶体管，成为解决硬件安全的有效手段。但是，目前自旋电子器件在安全领域内的应用中，多数基于自旋电子器件形成的真随机数发生器均包含复杂的反馈电路或后处理电路，且每个随机数生成的工作周期都包含重置、随机写入和读出三个阶段，严重限制了真随机数发生器的工作频率与功耗效率的提升。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种真随机数发生装置，解决现有技术中真随机数发生器硬件开销大、工作频率受限和高功耗的问题。本发明的另一个目的在于提供一种真随机数发生方法。

为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种真随机数发生装置，包括控制模块、随机数发生模块和随机数读取模块；

所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结；

所述控制模块用于基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号；

所述随机数读取模块用于基于所述控制模块传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号。

优选的，所述装置进一步包括初始化重置模块；

所述控制模块进一步用于基于用户的复位控制指令形成复位信号；

所述初始化重置模块用于基于所述控制模块传输的复位信号向所述自旋轨道矩层输入复位电流以使随机数发生模块的多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态。

优选的，所述自旋轨道矩层长度方向的两端分别设置有用于输入所述复位电流的第一电极和第二电极。

优选的，所述磁隧道结包括自上向下设置的电极层、合成反铁磁层、第二铁磁金属层、氧化物层和第一铁磁金属层。

优选的，所述磁隧道结为椭圆形，所述椭圆形的长轴垂直于自旋轨道矩层的长度方向。

优选的，所述随机数读取模块包括读取电路和选位模块；

所述控制模块进一步用于形成选位信号；

所述选位模块用于根据所述控制模块传输的选位信号将所述读取电路与选定的两个磁隧道结连通；

所述读取电路用于基于所述控制模块传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号。

优选的，所述读取电路包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、第五开关元件、第六开关元件和第七开关元件；

所述第一开关元件、第二开关元件、第四开关元件和第五开关元件的第一端与所述预设电压连接，所述预设电压用于形成预设信号；

所述第一开关元件和第二开关元件的第二端与所述第三开关元件的第一端、第四开关元件和第六开关元件的控制端以及第一信号输出端分别连接；

所述第一开关元件和所述第五开关元件的控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的随机数生成信号；

所述第四开关元件和第五开关元件的第二端与所述第六开关元件的第一端、第二开关元件和第三开关元件的控制端以及第二信号输出端分别连接；

所述第三开关元件和所述第六开关元件的第二端分别与所述选位模块连接；

所述第七开关元件的第一端与接地端连接，第二端与所述自旋轨道矩层连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的随机数生成信号。

优选的，所述初始化重置模块包括第八开关元件和第九开关元件；

所述第八开关元件的第一端与电压端连接，第二端与所述第一电极连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的复位信号；

所述第九开关元件的第一端与接地端连接，第二端与所述第二电极连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的复位信号。

本发明还公开了一种真随机数发生方法，所述方法包括：

基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号；

基于随机数生成信号向随机数发生模块的两个磁隧道结输入预设信号，并基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号，其中，所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结。

优选的，所述方法进一步包括：

基于用户的复位控制指令形成复位信号；

基于所述复位信号向所述自旋轨道矩层输入复位电流以使所述多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态。

本发明的真随机数发生装置包括控制模块、随机数发生模块和随机数读取模块。所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结。本发明利用多个磁隧道结在自然状态时由于热噪声引起的随机性，使多个磁隧道结在自然状态下具有不同的阻态，对多个磁隧道结输入预设信号，根据预设信号在不同磁隧道结的不同阻态下的放电情况形成随机数生成信号，用于表示输出的真随机数。本发明通过利用磁隧道结在自然状态下形成随机的阻态状态的特性，通过预设信号检测形成不同磁隧道结阻态状态对应的随机数输出信号，以得到随机数。从而本发明减少了生成随机数的必要步骤，增大工作频率范围，同时也减小电路面积和降低功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明真随机数发生装置一个具体实施例的结构图；

图2示出本发明真随机数发生装置一个具体实施例随机数发生模块的结构图；

图3示出本发明真随机数发生装置一个具体实施例随机数读取模块的结构图；

图4示出本发明真随机数发生装置一个具体实施例设有初始化重置模块的结构图；

图5示出本发明真随机数发生方法一个具体实施例的流程图之一；

图6示出本发明真随机数发生方法一个具体实施例的流程图之二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种真随机数发生装置。如图1所示，本实施例中，所述真随机数发生装置包括控制模块10、随机数发生模块30和随机数读取模块20。

其中，所述随机数发生模块30包括自旋轨道矩层3以及设于所述自旋轨道矩层3上的多个磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。

所述控制模块10用于基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号。

所述随机数读取模块20用于基于所述控制模块10传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号。

本发明的真随机数发生装置包括控制模块10、随机数发生模块30和随机数读取模块20。所述随机数发生模块30包括自旋轨道矩层3以及设于所述自旋轨道矩层3上的多个磁隧道结。本发明利用多个磁隧道结在自然状态时由于热噪声引起的随机性，使多个磁隧道结在自然状态下具有不同的阻态，对多个磁隧道结输入预设信号，根据预设信号在不同磁隧道结的不同阻态下的放电情况形成随机数生成信号，用于表示输出的真随机数。本发明通过利用磁隧道结在自然状态下形成随机的阻态状态的特性，通过预设信号检测形成不同磁隧道结阻态状态对应的随机数输出信号，以得到随机数。从而本发明减少了生成随机数的必要步骤，增大工作频率范围，同时也减小电路面积和降低功耗。

在优选的实施方式中，如图2所示，所述磁隧道结包括自上向下设置的电极层8、合成反铁磁层7、第二铁磁金属层6、氧化物层5和第一铁磁金属层4。其中，多个磁隧道结设置在自旋轨道矩层3上。自旋轨道矩层3优选的可选用重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜，第一铁磁金属的厚度优选的可设置为0～2nm间的任意值，氧化物层5的厚度优选的可设置为0～3nm间的任意值，第二铁磁金属的厚度优选的可设置为0～3nm间的任意值，合成反铁磁层7的厚度优选的可设置为0～20nm间的任意值，电极层8的厚度优选的可设置为10～100nm间的任意值。需要说明的是，在该优选的实施方式中，仅示出磁隧道结各层的优选的厚度范围，在其他实施方式中，也可以实际情况选择各层的厚度，本发明对此并不作限定，基于相同原理的其他技术方案也理应在本发明的保护范围内。

可以理解的是，设置在自旋轨道矩层3上的多个磁隧道结能够提供互不相干的随机源，可用在芯片安全中产生真随机数。具体的，磁隧道结的底面形状，即第一铁磁金属层4的下表面内嵌于自旋轨道矩层3。优选的，自旋轨道矩层3可选用长方形，使自旋轨道矩层3的顶面面积大于沿自旋轨道矩层3长度方向排列的多个磁隧道结所占的面积，即使多个磁隧道结可以设于所述自旋轨道矩层3上，并使多个磁隧道结的外边缘位于所述自旋轨道矩层3的外边缘的内侧。

在优选的实施方式中，所述磁隧道结为椭圆形，所述椭圆形的长轴垂直于自旋轨道矩层3的长度方向。所述磁隧道结的椭圆形的长轴与短轴之比小于1.1，从而椭圆形的形状接近于圆形，第一铁磁金属层4面内形状磁各向异性效应微弱，从而使磁隧道结的电阻具有随机性。可以理解的是，磁隧道结的电阻取决于第一铁磁金属与第二铁磁金属的相对的磁化方向以及氧化层的厚度，其中，第一铁磁金属层4与第二铁磁金属层6的相对磁化方向相同时，磁隧道结处于低电阻状态，第一铁磁金属层4与第二铁磁金属层6的相对磁化方向相反时，磁隧道结处于高电阻状态。多个磁隧道结用于形成输出随机数，能有效防止工艺偏差对随机性质量的影响。同时，多个磁隧道结可保证所得序列的随机性，避免使用反馈纠正模块和后处理模块，从而减小电路硬件消耗和功耗。磁隧道结在外界状态时的阻态变化具有随机性和不可控性，采用磁隧道结的两两比较模式，能够有效防止温度对于随机性产生影响。

在该优选的实施方式中，形成磁隧道结的各层为椭圆形。椭圆形的磁隧道结保证了第一铁磁金属层4内磁化方向在无外界定向电压或磁场作用时由热扰动引起的随机性，使磁隧道结在自然状态时，第一铁磁金属层4内的磁化方向发生随机性改变。不同磁隧道结的第一铁磁金属层4的随机性改变不同，从而第一铁磁金属层4与第二铁磁金属层6形成的磁隧道结的电阻不同，从而作为整个真随机数生装置的随机源。

在优选的实施方式中，如图3所示，所述装置进一步包括初始化重置模块40。所述控制模块10进一步用于基于用户的复位控制指令形成复位信号。所述初始化重置模块40用于基于所述控制模块10传输的复位信号向所述自旋轨道矩层3输入复位电流以使随机数发生模块30的多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态。通过使磁隧道结恢复统一电阻状态，可防止使用过程中的不明原因对多个磁隧道结影响面表现出一定的规律性。

可以理解的是，将多个磁隧道结设于同一条自旋轨道矩层3之上，能够实现一次性重置操作，可减小访问控制晶体管的数量，进而提高集成度和降低电路功耗，同时防止某些单元陷入无法转换的状态而造成随机性缺失。

在优选的实施方式中，所述自旋轨道矩层3长度方向的两端分别设置有用于输入所述复位电流的第一电极1和第二电极2。可以理解的是，可以通过在第一电极1和第二电极2间施加单向电流将所有磁隧道结设置为低阻态或高阻态。

在优选的实施方式中，所述随机数读取模块20包括读取电路和选位模块。所述控制模块10进一步用于形成选位信号。所述选位模块用于根据所述控制模块10传输的选位信号将所述读取电路与选定的两个磁隧道结连通。所述读取电路用于基于所述控制模块10传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号。读取电路将热扰动对器件磁性的影响转化为可测量的电学信号-电阻值的变化。

其中，需要说明的是，自旋轨道矩层3上设置有多个磁隧道结，选位模块可根据用户的选位信号选定其中两个磁隧道结，通过读取电路读取选定的两个磁隧道结的阻态，从而根据两个磁隧道结的阻态比较结果形成随机数输出信号。由此，本领域公知，本领域技术人员可根据实际需求设置该选位模块的具体结构，为本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

在优选的实施方式中，如图4所示，所述读取电路包括第一开关元件M1、第二开关元件M2、第三开关元件M3、第四开关元件M4、第五开关元件M5、第六开关元件M6和第七开关元件M7。

其中，所述第一开关元件M1、第二开关元件M2、第四开关元件M4和第五开关元件M5的第一端与所述预设电压VDD连接，所述预设电压VDD用于形成预设信号。所述第一开关元件M1和第二开关元件M2的第二端与所述第三开关元件M3的第一端、第四开关元件M4和第六开关元件M6的控制端以及第一信号输出端分别连接。所述第一开关元件M1和所述第五开关元件M5的控制端与所述控制模块10连接，用于接收所述控制模块10传输的随机数生成信号。所述第四开关元件M4和第五开关元件M5的第二端与所述第六开关元件M6的第一端、第二开关元件M2和第三开关元件M3的控制端以及第二信号输出端Br分别连接。所述第三开关元件M3和所述第六开关元件M6的第二端分别与所述选位模块连接。所述第七开关元件M7的第一端与接地端GND连接，第二端与所述自旋轨道矩层3连接，控制端与所述控制模块10连接，用于接收所述控制模块10传输的随机数生成信号。

可以理解的是，在该优选的实施方式中，第二开关元件M2、第三开关元件M3、第四开关元件M4和第六开关元件M6构成互为反相器的结构。随机数生成过程包括预充电过程和读取过程。首先，预充电过程中，通过向第一开关元件M1和第五开关元件M5的控制端输入随机数生成信号，使第一开关元件M1和第五开关元件M5导通，第七开关元件M7断开，则第一信号输出端和第二信号输出端Br的电位被预充并保持预设信号的电压。

在读取过程中，改变随机数生成信号的电平，使第七开关元件M7导通而导通预设信号的放电通路，第一开关元件M1和第五开关元件M5断开。由于与第三开关元件M3和第六开关元件M6的磁隧道结的随机电阻不同，则第一信号输出端和第二信号输出端Br的预设信号的放电速度不同，从而放电速率稍快的一方的信号输出端将首先降至第三开关元件M3或第六开关元件M6的管阈值电压以下，则率先降至管阈值电压的开关元件连接的信号输出端的电位重新变为预设信号的电压。而另一个信号输出端继续放电直到接地端GND的电压。从而根据第一信号输出端/>和第二信号输出端Br输出的电压可确定对应的随机数的值，例如0或1，从而实现将两个磁隧道结的随机性的电阻差转化为0或1的随机数。由于热扰动的存在，两个磁隧道结的电阻处于时刻变化的状态，因此各个周期读出的数是无法预测的，因此持续的读取操作可以获取随机数序列。经过测试，这些随机数序列满足随机数测试的国际标准。

其中，在一个具体例子中，所述第一开关元件M1、第二开关元件M2、第四开关元件M4和第五开关元件M5为PMOS晶体管。所述第三开关元件M3、第四开关元件M4和第七开关元件M7为NMOS晶体管。

由于接收随机数生成信号的第一开关元件M1和第五开关元件M5为PMOS晶体管，第七开关元件M7为NMOS晶体管，为了使第一开关元件M1、第五开关元件M5和第七开关元件M7同时导通，则随机数生成信号包括时钟信号CLK和取反的时钟信号以控制工作频率。则对第一开关元件M1和第五开关元件M5输入取反的时钟信号/>从而使得第一开关元件M1、第五开关元件M5和第七开关元件M7同时导通。在其他实施方式中，也可以采用需要类型的开关元件并设置随机数生成信号的电平以使读取电路可以根据两个磁隧道结的电阻形成随机数输出信号。

在预充电过程中，使时钟信号CLK置于高电平，取反的时钟信号为低电平，第七开关元件M7断开，第一开关元件M1和第五开关元件M5导通，第一信号输出端/>和第二信号输出端Br分别保持在预设信号的电压。在读取过程中，使时钟信号CLK置于低电平，取反的时钟信号/>为高电平，第七开关元件M7导通，第一开关元件M1和第五开关元件M5断开，第一信号输出端/>和第二信号输出端Br开始放电。由热扰动引起的随机性导致磁隧道结处于随机状态的，两条支路内与第三开关元件M3和第六开关元件M6连接的磁隧道结的电阻值不同。在初始放电电压相同的情况下，两条支路放电电流(I₁和I₂)不同，从而导致放电速率不一致。从而，放电速率稍快的一方的输出(Br或(Br)-)将首先降至NMOS管阈值电压以下。第三开关元件M3或第六开关元件M6将断开，而此时断开NMOS的一方所串联的PMOS将打开(第二开关元件M2或第四开关元件M4)，从而输出端口(Br或(Br)-)电位被拉升至预设信号的电压，而另一方将继续放电直至输出端口电位被拉低至GND，从而得到输出。相应的，若与第三开关元件M3连接的磁隧道结电阻大于与第六开关元件M6连接的磁隧道结电阻，则输出为低电平。反之，若与第三开关元件M3连接的磁隧道结电阻小于与第六开关元件M6连接的磁隧道结电阻，则输出为高电平。由于热扰动的存在，左右两边磁隧道结的电阻处于时刻变化的状态，因此各个周期读出的数是无法预测的，因此持续的读取操作可以获取随机数序列。

在优选的实施方式中，所述初始化重置模块40包括第八开关元件M8和第九开关元件M9。其中，所述第八开关元件M8的第一端与电压端VDD连接，第二端与所述第一电极1连接，控制端与所述控制模块10连接，用于接收所述控制模块10传输的复位信号。所述第九开关元件M9的第一端与接地端GND连接，第二端与所述第二电极2连接，控制端与所述控制模块10连接，用于接收所述控制模块10传输的复位信号。

例如，在一个具体例子中，第八开关元件M8为PMOS管，第九开关元件M9为NMOS管。复位信号包括复位控制信号RST和取反的复位控制信号将复位控制信号RST输入第九开关元件M9，将取反的复位控制信号/>输入第八开关元件M8，从而使第八开关元件M8和第九开关元件M9通过第一电极1、第二电极2和自旋轨道矩层3形成通路，通过第八开关元件M8的第一端向自旋轨道矩层3输入单向电流I_RST，以改变第一铁磁金属层4的磁距方向。在其他实施方式中，初始化重置模块40可根据实际情况采用其他的电路结构，本发明对此并不作限定。

在优选的实施方式中，自旋轨道矩层3可为采用重金属、反铁磁或拓扑绝缘体等材料形成的条状薄膜。更优选的，所述重金属材料可采用铂Pt、钽Ta或钨W中的任意一种，所述反铁磁材料可采用化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn中的一种，所述拓扑绝缘体材料可采用硒化铋Bi2Se3或碲化铋Bi2Te3中的一种，其中，各化合物中各个元素的配比含量可以不作限定，可根据实际情况灵活确定，材料也并不限于以上列举的材料，采用可实现自旋轨道矩层3功能的材料形成磁性随机存储器的技术方案也应当在本发明的保护范围内。

在优选的实施方式中，电极层8的材料可采用钽Ta、铝Al、金Au或铜Cu中的任意一种。

在优选的实施方式中，第一铁磁金属层4和第二铁磁金属层6的材料可为钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等材料中的至少一种形成的混合金属材料，混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。所述氧化物层5的材料可为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。在实际应用中，铁磁金属层和氧化物层5还可以采用其他可行的材料，本发明对此并不作限定。

磁隧道结的铁磁金属层与自旋轨道矩层3接触固定，可通过传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将磁隧道结的各层和自旋轨道矩层3按照从下到上的顺序依次镀在衬底上，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备形成自旋轨道矩层3及其上的多个磁隧道结。

本领域技术人员能够明了，本实施例中的开关元件可采用N型三极管，也可以采用P型三极管(本实施例中仅以所述第一开关元件M1、第二开关元件M2、第四开关元件M4、第五开关元件M5和第八开关元件M8为PMOS晶体管，所述第三开关元件M3、第四开关元件M4、第七开关元件M7和第九开关元件M9为NMOS晶体管为例进行举例说明)，各种信号的高低电平是与三极管的型号配合才能实现对应的功能。本领域技术人员能够知晓使得P型三极管导通需要配合低电平信号，使得N型三极管导通需要配合高电平信号，从而采用N型三极管或P型三极管并设置三极管栅极(控制端)的电平以实现相应的导通或断开功能，从而实现本发明的数据读取目的。本发明实施例提供的三极管的控制端为栅极，第一端可以为源极，则第二端为漏极，或者反之，第一端可以是漏极，则第二端为源极，本发明对此不作限定，可根据三极管的类型合理选择即可。

此外，本发明实施例提供的三极管可以为场效应三极管，其中可以为增强型场效应三极管，也可以为耗尽型场效应三极管。三极管可以采用低温多晶硅TFT，能够降低制造成本和产品功耗，具有更快的电子迁移率，还可以采用氧化物半导体TFT。

综上，本发明真随机数发生装置可应用于高密度存储器和逻辑电路，采用单向电流写入数据，可提高电路集成度，降低写入功耗和写入电压，减小读取干扰，有利于减少工艺的复杂度和制造成本。

基于相同原理，本实施例还公开了一种真随机数发生方法。如图5所示，本实施例中，所述方法包括：

S100：基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号。

S200：基于随机数生成信号向随机数发生模块30的两个所述磁隧道结输入预设信号，并基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号，其中，所述随机数发生模块30包括自旋轨道矩层3以及设于所述自旋轨道矩层3上的多个磁隧道结。

在优选的实施方式中，如图6所示，所述方法进一步包括：

S300：基于用户的复位控制指令形成复位信号。

S400：基于所述复位信号向所述自旋轨道矩层3输入复位电流以使所述多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态。

由于该方法解决问题的原理与以上装置类似，因此本方法的实施可以参见装置的实施，在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种真随机数发生装置，其特征在于，包括控制模块、随机数发生模块和随机数读取模块；

所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结；

所述控制模块用于基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号；

所述随机数读取模块用于基于所述控制模块传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号；

所述随机数读取模块包括读取电路和选位模块；

所述控制模块进一步用于形成选位信号；

所述选位模块用于根据所述控制模块传输的选位信号将所述读取电路与选定的两个磁隧道结连通；

所述读取电路用于基于所述控制模块传输的随机数生成信号向两个所述磁隧道结输入预设信号，基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号；

所述读取电路包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、第五开关元件、第六开关元件和第七开关元件；

所述第一开关元件、第二开关元件、第四开关元件和第五开关元件的第一端与预设电压连接，所述预设电压用于形成预设信号；

所述第一开关元件和第二开关元件的第二端与所述第三开关元件的第一端、第四开关元件和第六开关元件的控制端以及第一信号输出端分别连接；

所述第一开关元件和所述第五开关元件的控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的随机数生成信号；

所述第四开关元件和第五开关元件的第二端与所述第六开关元件的第一端、第二开关元件和第三开关元件的控制端以及第二信号输出端分别连接；

所述第三开关元件和所述第六开关元件的第二端分别与所述选位模块连接；

所述第七开关元件的第一端与接地端连接，第二端与所述自旋轨道矩层连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的随机数生成信号；

所述装置进一步包括初始化重置模块；

所述控制模块进一步用于基于用户的复位控制指令形成复位信号；

所述初始化重置模块用于基于所述控制模块传输的复位信号向所述自旋轨道矩层输入复位电流以使随机数发生模块的多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态；

所述自旋轨道矩层长度方向的两端分别设置有用于输入所述复位电流的第一电极和第二电极；

所述初始化重置模块包括第八开关元件和第九开关元件；

所述第八开关元件的第一端与电压端连接，第二端与所述第一电极连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的复位信号；

所述第九开关元件的第一端与接地端连接，第二端与所述第二电极连接，控制端与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块传输的复位信号。

2.根据权利要求1所述的真随机数发生装置，其特征在于，所述磁隧道结包括自上向下设置的电极层、合成反铁磁层、第二铁磁金属层、氧化物层和第一铁磁金属层。

3.根据权利要求1所述的真随机数发生装置，其特征在于，所述磁隧道结为椭圆形，所述椭圆形的长轴垂直于自旋轨道矩层的长度方向。

4.一种基于如权利要求1-3任一项所述的真随机数发生装置的真随机数发生方法，其特征在于，所述方法包括：

基于用户的随机数生成指令形成随机数生成信号；

基于随机数生成信号向随机数发生模块的两个磁隧道结输入预设信号，并基于所述预设信号的放电情况得到随机数输出信号，其中，所述随机数发生模块包括自旋轨道矩层以及设于所述自旋轨道矩层上的多个磁隧道结；

所述方法进一步包括：

基于用户的复位控制指令形成复位信号；

基于所述复位信号向所述自旋轨道矩层输入复位电流以使所述多个磁隧道结的阻态变为高阻态或低阻态。