CN112558925A - 随机数发生单元以及随机数发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种随机数发生单元，包括一晶体管，所述晶体管的栅极为输入端，源/漏极电学接地，漏/源极通过一隧道结电学连接至工作电平，所述隧道结为真随机数发生源，故所述晶体管的漏/源极端电平值即为输出的随机数。本发明由于采用真实物理过程作为真随机数的信号源，具有随机和不可预测等特性，因此消除了伪随机数的周期性和相关性等问题，产生的随机数分布均匀，符合不相关等特性，是一种高质量的真随机数。本发明是利用集成电路实现的片内真随机数生成器，利用了芯片设计的流水线，同步处理和资源复用等技术，具有成本低，稳定性好，速率快，易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微电子学领域，尤其涉及一种随机数发生单元以及随机数发生器。
背景技术
在安全领域和通信领域中，对高质量真随机数的需求与日俱增。对于大部分加密系统而言，随机数的性能决定了所使用密钥和协议参数的安全性。使用软件算法实现的伪随机数，不可避免地具有周期性和可预测性等特征，存在可被攻击的安全隐患，因此使用伪随机数的安全系统必然存在性能瓶颈。为了获取真随机数，现有的一种方式是芯片外接真随机数发生装置，虽然解决了伪随机数问题，但存在成本高，速率慢，电路复杂等问题。为了获取不可预测的真随机数，就需要使用自然界存在的物理噪声，如电路的热噪声。因此如何便捷的实现一种低成本、高质量的真随机数发生器是现有技术需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种随机数发生单元以及随机数发生器，可以便捷的实现一种低成本、高质量的真随机数发生器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种随机数发生单元，包括一晶体管，所述晶体管的栅极为输入端，源/漏极电学接地，漏/源极通过一隧道结电学连接至工作电平，所述隧道结为真随机数发生源，故所述晶体管的漏/源极端电平值即为输出的随机数。
可选的，所述晶体管为N型晶体管。所述晶体管为SOI晶体管。
可选的，所述晶体管的源/漏极通过一保护电阻电学接地。
本发明还提供了一种随机数发生器，包括上述的随机数发生单元所组成的阵列。
本发明由于采用真实物理过程作为真随机数的信号源，具有随机和不可预测等特性，因此消除了伪随机数的周期性和相关性等问题，产生的随机数分布均匀，符合不相关等特性，是一种高质量的真随机数。本发明是利用集成电路实现的片内真随机数生成器，利用了芯片设计的流水线，同步处理和资源复用等技术，具有成本低，稳定性好，速率快，易于实现等优点。
附图说明
附图1所示是本发明所述具体实施方式的电路图。
附图2所示是本发明所述具体实施方式中所采用的隧穿磁阻的基本单元结构图。
附图3所示是本发明所述具体实施方式中电路中嵌入随机行为隧道结构造电压驱动的随机随机数生成器，其输入输出满足关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的随机数发生单元以及随机数发生器的具体实施方式做详细说明。
每一个器件单元具有一个典型的二进制随机输出行为，其输入输出满足关系：
mi＝θ[σ[Ii]-r]
具有标准化的输出mi(0或1)，其值为0或1的概率分别记为P0和P1。而这些概率由归一化输入Ii控制：Ii＝0时mi＝0&mi＝1的概率相等(P0＝P1＝0.5)，Ii值为正且远大于0时，mi＝1(P0＝0，P1＝1)，Ii值为负且远小于0时，mi＝0(P0＝1，P1＝0)。，Θ为单位阶跃函数，σ为σ函数，r是一个[0，1]区间的随机数。
附图1所示是本具体实施方式的电路图，即上述公式的硬件实现。所述电路包括N型SOI晶体管，源极通过保护电阻Rs接地，漏极通过随机数产生器与工作电平VDD连接。与公式中随机数r对应的硬件随机数产生器(RNG)可以通过低势垒的隧道结来实现，当隧道结的中间势垒低到一定程度，则一侧的电子或其他类型粒子通过该隧道的概率就会大程度的依赖于热扰动导致的随机跃迁，因此漏极处的电平随机产生0或1，可以作为一个二进制的随机数。将这样的一个随机隧穿的结构嵌入到电路中，形成一个三端口器件来实现所述的二进制随机数生成器。
隧穿磁阻的基本单元是如图2这样的三层结构，最下面一层是自旋方向固定的一层，中间是隧穿层，最上面的自旋方向可以发生变化，当上下两层磁性层自旋方向一致时，隧穿磁阻结构的电阻很小；而二者自旋方向相反时，隧穿磁阻结构的电阻很大，通过改变两铁磁层磁化方向的角度在高低值之间切换。高(反平行，AP)和低(平行，P)电阻态(RAP，RP)就被能量势垒E隔开。中间壁势垒较高时，两边对称的势阱彼此之间的跃迁将被禁止，当势垒逐渐降低，则会增加两边势阱互相跃迁的概率，低势垒的隧道结能带结构如图2所示，是一个典型的双势阱结构，热扰动造成的跃迁成为主要方式，且跃迁概率～exp[E/(kBT)]，其中E是壁垒高度，kB为玻尔兹曼常数，T为温度。
上述二进制随机数生成的物理实现与输入输出：(mi＝θ[σ[Ii]-r])对应的结构，其电压输入输出满足：
上述结构利用随机行为隧道结构，作为真随机数生成器的噪声源，一个随机行为隧道结应拥有对称的双势阱结构，体系的纵向隧穿特性通过两个势阱间的势垒来调节，当势垒降低到一定值时，就会发生随机纵向隧穿。拥有对称的双势阱结构，并且阱间势垒可调控的系统都有可能构造出随机行为隧道结。
而在电路中嵌入随机行为隧道结构造电压驱动的随机随机数生成器，其输入输出满足关系(图3)：
mi＝θ[σ[Ii]-r]
Θ为单位阶跃函数，σ为σ函数，r是一个[0，1]区间的随机数。在这个二进制随机赝自旋中出现的“随机”利用了磁隧道结遂穿效应实现，是一个“真随机”。通过图1结构的阵列排布或者是反复对一个图一结构进行信号采样，可以得到一组随机值(0/1)，以此来产生任意比特的真随机数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种随机数发生单元，其特征在于，包括一晶体管，所述晶体管的栅极为输入端，源/漏极电学接地，漏/源极通过一隧道结电学连接至工作电平，所述隧道结为真随机数发生源，故所述晶体管的漏/源极端电平值即为输出的随机数。
2.根据权利要求1所述的随机数发生单元，其特征在于，所述晶体管为N型晶体管。
3.根据权利要求2所述的随机数发生单元，其特征在于，所述晶体管为SOI晶体管。
4.根据权利要求1所述的随机数发生单元，其特征在于，所述晶体管的源/漏极通过一保护电阻电学接地。
5.一种随机数发生器，其特征在于，包括上述权利要求1-4任意一项所述的随机数发生单元所组成的阵列。
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