IT201800009064A1

IT201800009064A1 - Dispositivo e metodo per generare sequenze random di bit

Info

Publication number: IT201800009064A1
Application number: IT102018000009064A
Authority: IT
Inventors: Massimo Luigi Maria Caccia; Luca Malinverno; Lorenza Paolucci
Original assignee: Massimo Luigi Maria Caccia; Luca Malinverno; Lorenza Paolucci
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2020-04-01
Also published as: US20210344488A1; EP3861431B1; ES2935207T3; JP2022508565A; EP3861431B8; EP3861431A1; CN113039519A; WO2020070641A1; KR20210069071A

Description

“Dispositivo e metodo per generare sequenze random di bit”

DESCRIZIONE

[0001]. CAMPO DELL’INVENZIONE

[0002]. La presente invenzione si riferisce alla generazione di numeri casuali (in inglese, random) e, precisamente, ad un dispositivo e metodo per generare sequenze random di bit.

[0003]. CONTESTO DELL’INVENZIONE

[0004]. Come è noto, la generazione di numeri random può essere basata su algoritmi o su caratteristiche osservabili correlate a fenomeni naturali non prevedibili. Il primo caso è implementato con software o firmware, il secondo richiede sistemi hardware per la raccolta di informazioni e metodi per elaborarle per estrarre serie di figure numeriche stocastiche.

[0005]. La generazione random algoritmica trae certamente beneficio dalla potenza di calcolo e da una programmazione ottimale per ottenere velocità di trasmissione dati estremamente elevate, ben oltre 10 Gb/s.

[0006]. Tuttavia, essa presenta alcuni fondamentali e irrimediabili difetti:

- gli algoritmi sono deterministici. Pertanto, la sequenza generata è pseudo-casuale (in inglese, pseudo-random). Essa può avere un periodo che soddisfa la maggior parte dei requisiti, ma sarà irrimediabilmente limitata nelle sue proprietà di casualità;

- la sequenza generata si basa su un valore di inizializzazione numerico per inizializzare la procedura. Pertanto, l’accesso ad esso implicherebbe l’accesso alla serie completa di figure numeriche generate.

[0007]. La generazione random di numeri da parte di hardware è basata su fenomeni naturali, descritti dalla fisica classica o basati sulle proprietà quantiche della natura.

[0008]. Una descrizione classica è deterministica.

[0009]. Anche se è possibile presumere che la complessità del sistema o della sua natura caotica fornisca la base per l’imprevedibilità pratica degli eventi, l’essenza del fenomeno naturale è tale che, una volta che le condizioni iniziali sono note o riprodotte in modo controllato, la dinamica di quel sistema sia ben definita.

[0010]. D’altra parte, i fenomeni a livello quantico sono intrinsecamente stocastici e, in quanto tali, imprevedibili. Per questa ragione, essi sono la base ideale per la generazione di veri numeri random (di seguito denominata TRNG, dall’acronimo inglese True Random Number Generation).

[0011]. I generatori di numeri random hanno applicazioni in molti campi, come per esempio: la sicurezza informatica e la crittografia; i dispositivi di IoT (Internet delle cose, dall’inglese Internet of Things), in cui alcuni di essi forniscono servizi che si basano sulla segretezza per proteggere la riservatezza dell’utilizzatore finale e per evitare intrusioni e atti di pirateria informatica; la simulazione numerica di fenomeni complessi per la scienza, l’industria (aerodinamica, termodinamica e l’industria manifatturiera), l’economia e la sociologia, in cui è stato dimostrato che la qualità delle figure numeriche casuali è essenziale per l’affidabilità dei risultati della simulazione; l’ottimizzazione delle comunicazioni su reti affollate; il gioco d’azzardo e lo sviluppo di piattaforme in linea.

[0012]. Storicamente, il primo generatore di numeri quantici random era basato su nuclei radioattivi instabili, decadenti, che emettono particelle alfa, beta o gamma.

[0013]. Le emissioni si verificano in modo imprevedibile, e il numero di decadimenti in una finestra temporale predefinita segue una distribuzione di Poisson.

[0014]. In altri termini, il lasso di tempo tra due eventi consecutivi segue una funzione della densità di probabilità di decadimento esponenziale, con una costante di decadimento dipendente dall’isotopo in uso e dalla sua radioattività. Gli impulsi sono statisticamente indipendenti e non correlati ed è possibile ottenere una generazione di bit random con vari metodi.

[0015]. I decadimenti radioattivi sono ancora oggi un modo molto solido e ragionevolmente semplice per ottenere un flusso di bit random.

[0016]. Tuttavia, essi presentano ovvi problemi relativi alla protezione della salute, alla sicurezza e alla protezione dai pericoli, evitandone l’adozione su larga scala.

[0017]. Inoltre, le caratteristiche del rilevatore di particelle, specificamente il suo tempo morto e il danno da radiazioni, limitano la produzione ottenibile e ne minano la stabilità.

[0018]. Infine, anche nei siti dedicati, la manipolazione e lo stoccaggio delle fonti radioattive rendono il sistema economicamente non competitivo.

[0019]. Ad oggi, la maggior parte dei generatori di numeri quantici random si basa su sorgenti a bassa luminosità e rilevatori con sensibilità al singolo fotone, in una varietà di configurazioni e sistemi.

[0020]. Un’illustrazione esemplificativa di un generatore di numeri quantici random, indicato con il numero di riferimento 100, è riportata schematicamente nella figura 1.

[0021]. Il generatore 100 comprende una sorgente di luce ad impulsi 101, un divisore di fascio 102, un primo sensore D0 e un secondo sensore D1.

[0022]. La sorgente di luce ad impulsi 101 emette singoli fotoni attraverso il divisore di fascio 102.

[0023]. Presumendo che la sorgente di luce impulsi 101 emetta singoli fotoni e il divisore di fascio 102 sia perfetto, per ogni impulso il primo sensore D0 e il secondo sensore D1 hanno uguale possibilità di ricevere il fotone.

[0024]. Fintantoché la loro efficienza è la stessa, un bit di valore 0 è generato quando il primo sensore D0 rileva il fotone e un bit di valore 1 è generato quando lo fa il secondo sensore D1.

[0025]. La configurazione del generatore quantico random della figura 1 soffre di una serie di debolezze che possono influenzare la qualità della sequenza di bit estratta.

[0026]. Infatti, sorgenti di luce standard emettono un numero random di fotoni/impulsi, tipicamente seguendo una distribuzione di Poisson. Sebbene la casualità possa essere un valore chiave, nella configurazione della figura 1 essa rappresenta un fattore limitante. La necessità di ridurre la probabilità di avere più di un fotone emesso al livello 10<-8 >richiede che un numero medio sia costituito da pochi fotoni/impulsi emessi superiori a 10<-4>, influenzando la percentuale raggiungibile.

[0027]. Inoltre, qualsiasi imperfezione nel divisore di fascio 102 agisce sulla probabilità di produrre 0 e 1. Lo stesso accade a meno che il primo sensore D0 e il secondo sensore D1 siano identici in termini di probabilità di rilevamento dei fotoni e stabilità alla temperatura o alle variazioni della tensione operativa.

[0028]. Si noti che le debolezze strumentali e di configurazione possono essere superate con un’adeguata ingegneria di sistema e l’implementazione di metodi per bilanciare la probabilità di produrre una serie imprevedibile di valori di bit attraverso algoritmi di post-elaborazione.

[0029]. Ciò nonostante, è possibile ottenere un’elevata qualità di bit random uniformi a una velocità di Megabit per secondo (Mbps), ma al prezzo di una complessità di sistema aumentata e di una bassa efficienza in termini di bit utili per evento casuale.

[0030]. Secondo altre soluzioni appartenenti allo stato della tecnica, esempi di configurazione sono basati su rilevatori sensibili al singolo fotone, possibilmente risolutivi del numero di fotoni, per rilevare, attribuire un intervallo di tempo e registrare una singola emissione di fotoni non correlata mediante una sorgente laser attenuata o diodi a emissione luminosa (LED, Light Emitting Diode).

[0031]. In particolare, un generatore di numeri quantici random che si avvale del tempo di arrivo dei fotoni è basato su un rilevamento validato temporalmente di singoli fotoni da una sorgente LED, rilevati con un tubo foto-moltiplicatore (PMT, dall’acronimo inglese Photo-Multiplier Tube), imitando la procedura implementata per impulsi random mediante una sorgente radioattiva in un rilevatore Geiger-Mueller o un rivelatore al silicio.

[0032]. Secondo un’altra soluzione dello stato della tecnica, il tubo foto-moltiplicatore è stato sostituito da un fotodiodo a valanga a singolo fotone (SPAD, dall’acronimo inglese, Single Photon Avalanche Photodiode) e la configurazione complessiva è stata integrata su un singolo chip.

[0033]. Una variazione dello stesso principio è basata sul conteggio di impulsi originati da una sorgente luminosa in un intervallo di tempo predefinito e sul fatto di basarsi sulle proprietà poissoniane della distribuzione sottostante.

[0034]. Secondo una soluzione appartenente allo stato della tecnica, eventi random corrispondono al rilevamento di luce o della sua assenza per mezzo di una sorgente di luce ad impulsi in un regime a singolo fotone. L’estrazione della casualità è basata sul raggruppamento di eventi random in blocchi e sull’applicazione di un algoritmo che richiede un aumento delle risorse polinomialmente con la lunghezza del blocco, implementato in un array di gate programmabili sul campo (FPGA, dall’acronimo Field Programmable Gate Array).

[0035]. Secondo un’altra soluzione dello stato della tecnica, un array di fotodiodi a valanga a singolo fotone (SPAD) è illuminata mediante una sorgente LED che emette raffiche di fotoni in un intervallo di tempo perfettamente regolato per avere una possibilità del 50% per ciascun pixel di rilevare un fotone.

[0036]. Tuttavia, sebbene il progetto di questa configurazione sia certamente di interesse per la sua implementazione parallela che consente in linea di principio la generazione di bit random alla velocità di Gbps, la sua principale fragilità si trova nella richiesta di una “perfetta” regolazione temporale della durata dell’impulso.

[0037]. Un’altra soluzione dello stato della tecnica è invece basata sulla generazione di due stringhe di bit random secondo le proprietà statistiche della distribuzione poissoniana nel numero di fotoni rilevati per impulso mediante un foto-moltiplicatore al silicio, precisamente una matrice di fotodiodi a valanga a singolo fotone (SPAD) con un’uscita comune.

[0038]. Tuttavia, ancora una volta, il principio è significativo ma l’implementazione è piuttosto debole, richiedendo una separazione perfetta nell’assegnazione del numero di fotoni/impulsi rilevati, un controllo estremo del sistema e una precisa calibrazione prima e durante la generazione della sequenza.

[0039]. In sintesi, tutte le soluzioni basate sull’imitazione del rilevamento di particelle mediante una sorgente radioattiva usando impulsi luminosi presentano: - complessità nella configurazione dovute alle caratteristiche della sorgente luminosa e alla richiesta di un sistema rivelatore a doppia fonte;

- mancanza di robustezza associata alla richiesta di estrema stabilità alla temperatura e alle variazioni di tensione;

- in alcuni casi, una bassa percentuale di bit random estratti per evento.

[0040]. SOMMARIO DELL’INVENZIONE

[0041]. Lo scopo della presente invenzione è quello di escogitare e fornire un dispositivo per generare sequenze random di bit che consenta di risolvere, almeno parzialmente, gli svantaggi summenzionati con riferimento alla tecnica anteriore, avente un’elevata affidabilità con una configurazione meno complessa, in grado di garantire un’elevata stabilità alle variazioni di temperatura e di tensione e un’elevata velocità di trasmissione dei bit random estratti per evento.

[0042]. Tale scopo è ottenuto mediante un dispositivo secondo la rivendicazione 1.

[0043]. Forme di realizzazione preferite di detto dispositivo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

[0044]. Inoltre, forma oggetto della presente invenzione anche un metodo per generare sequenze random di bit.

[0045]. BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

[0046]. Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione risulteranno evidenti nella descrizione seguente che mostra forme di realizzazione preferite, fornite a titolo di esempi indicativi, non limitanti, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

[0047]. la figura 1 mostra schematicamente, mediante un diagramma a blocchi, un generatore di numeri random appartenente allo stato della tecnica;

[0048]. la figura 2 mostra schematicamente, per mezzo di diagrammi temporali, l’andamento temporale di sequenze di impulsi che possono essere generate mediante un dispositivo per generare sequenze random di bit secondo la presente invenzione;

[0049]. la figura 3 mostra schematicamente, per mezzo di uno schema a blocchi, un dispositivo per generare sequenze random di bit secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

[0050]. la figura 4 mostra schematicamente, per mezzo di uno schema a blocchi, un dispositivo per generare sequenze random di bit secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, e

[0051]. la figura 5 mostra schematicamente, per mezzo di un diagramma a blocchi, un metodo per generare sequenze random di bit secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

[0052]. DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0053]. Facendo riferimento alle suddette figure, viene ora descritto un dispositivo 200 per generare sequenze casuali (in inglese, random) di bit, nel seguito anche semplicemente dispositivo, in accordo alla presente invenzione.

[0054]. Con riferimento in particolare alle forme di realizzazione delle figure 3 e 4, il dispositivo 200 comprende almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 configurato per generare una sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 come risultato di un’autoamplificazione indotta da una ionizzazione da impatto di portatori di carica generata termicamente a cui può essere soggetto l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0055]. A questo proposito, si osservi che la Richiedente ha osservato la possibilità di generare bit random convalidando temporalmente impulsi auto-amplificati dovuti a portatori di carica generati stocasticamente in un array di giunzioni p-n (celle) azionate oltre la tensione di breakdown, e precisamente dispositivi noti come fotomoltiplicatori al silicio (Silicon Photo-multipliers) o contatori di fotoni multi-pixel (Multi-Pixel Photon Counters).

[0056]. Si prevede che questo meccanismo endogeno superi la complessità e la debolezza dei generatori di numeri random attuali basati su effetti quantici, che si basano su una sorgente esogena di impulsi, che sia una fonte radioattiva o una sorgente di fotoni.

[0057]. La natura quantica delle bande di energia in dispositivi semiconduttori, la distribuzione di elettroni sui livelli di energia secondo le statistiche di Fermi-Dirac e gli effetti di elevati campi elettrici in dispositivi microelettronici forniscono questo meccanismo.

[0058]. Infatti, la generazione stocastica e la ricombinazione di portatori liberi, indotte termicamente favorite da trappole, è dominante nel silicio e in altri materiali semiconduttori indiretti ed è il fenomeno fisico alla base della generazione di corrente elettrica nella regione di carica spaziale delle giunzioni p-n.

[0059]. Inoltre, se la giunzione è azionata nel regime a valanga, questo meccanismo è responsabile del verificarsi di impulsi random.

[0060]. Indipendentemente dal meccanismo, la Richiedente ha osservato che il punto chiave è che l’elevata densità di portatori potenziali, l’occorrenza random di condurli alla banda di conduzione, unitamente alla probabilità stocastica di indurre un breakdown a valanga, portano a una serie di impulsi indipendenti che si prevede seguano una distribuzione di Poisson, pertanto gli impulsi non sono correlati e il loro verificarsi non è prevedibile.

[0061]. I foto-moltiplicatori al silicio (SiPM, Silicon Photo-Multipliers) sono attualmente offerti sul mercato da una varietà di produttori, con densità fino a 40.000 celle/mm<2>, aree in eccesso di 6x6 mm<2 >e tecniche di interconnessione dello stato della tecnica che consentono di costituire un mosaico di sensori equalizzati in grandi aree.

[0062]. Nei SiPM, gli elevati campi elettrici nel volume di giunzione portano alla moltiplicazione della carica mediante ionizzazione da impatto, con guadagni fino a 10<6 >a tensioni di polarizzazione che non superano i 70 V.

[0063]. In particolare, i SiPM essenzialmente funzionano in un regime di Geiger-Mueller limitato e neutralizzato, in modo che un singolo portatore di carica possa innescare un impulso con probabilità prossime al 100% a pochi volt sopra la tensione di breakdown.

[0064]. I SiPM sono commercializzati come rilevatori sensibili al singolo fotone e di risoluzione del numero di fotoni, con l’estrema sensibilità dovuta a valanghe innescate da un singolo portatore di carica rilasciato da un fotone.

[0065]. Tuttavia, lo sviluppo a valanga è incurante del meccanismo che genera il portatore primario: può essere un fotone come anche qualsiasi processo stocastico endogeno correlato alla temperatura o alla mappa del campo elettrico.

[0066]. Questo è il principio alla base della presente invenzione, che consiste in un pacchetto SiPM realizzato completamente al buio, che identifica gli impulsi iniziati casualmente, li convalida temporalmente e trasforma la sequenza di impulsi in una serie di bit. L’ampiezza degli impulsi, milioni di elettroni in qualche decina di nanosecondi, rendono la loro identificazione solida e impeccabile; lo sviluppo del tempo di valanga, con un fronte di salita del segnale al livello di nanosecondi, rende la convalida temporale estremamente precisa; il meccanismo di generazione endogena rende il processo solido, anche alle variazioni di temperatura che si prevede varino la velocità senza compromettere la casualità.

[0067]. Le velocità di impulso possono raggiungere 1 MHz/mm<2 >a temperatura ambiente a pochi volt sopra la tensione di breakdown, offrendo la possibilità di progettare dispositivi molto compatti.

[0068]. Un’illustrazione esemplificativa di impulsi E1, E2, E3, E4 generati stocasticamente in un SiPM come, per esempio, l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 delle forme di realizzazione delle figure 3 e 4, è mostrata nella figura 2.

[0069]. L’identificazione di impulso è seguita dalla registrazione del suo tempo di arrivo ti, i = 1, 2, 3, 4 … N, rispetto a un’origine della tempistica di riferimento tor, come mostrato nel pannello inferiore della figura 2.

[0070]. Se gli impulsi non sono correlati e sono indipendenti, in una coppia di intervalli di tempo di interarrivo (dTi, dTj), dove dTi=ti+1-ti, vi è un’uguale probabilità P che dTi sia più lungo o più corto di dTj, e precisamente:

P(dTi > dTj) = P(dTi < dTj) = 0,5.

[0071]. Secondo questa proprietà generale delle sequenze di eventi senza memoria, i bit sono estratti secondo la seguente procedura:

[0072]. se dTi > dTi+2, il bit i<e-simo >nella sequenza è impostato a 1;

[0073]. se dTi < dTi+2, il bit i<e-simo >nella sequenza è impostato a 0;

[0074]. se dTi = dTi+2, non è prodotto alcun bit.

[0075]. Nell’illustrazione esemplificativa della figura 2:

dT1 = t2 – t1;

dT2 = t3 – t2;

dT3 = t4 – t3;

dT1 < dT3, il 1° bit nella sequenza è impostato a 0.

[0076]. Questa procedura garantisce un’efficienza di estrazione dei bit fino al 50%, possibilmente ridotta del numero di intervalli di tempo uguali.

[0077]. Inoltre, essa è priva di polarizzazione (incluso l’impatto potenziale del rilevamento validato temporalmente mediante un clock continuo) e non richiede algoritmi di elaborazione che riducano l’effettiva velocità di trasmissione dei bit.

[0078]. L’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 è configurato per accumulare entropia e, come già spiegato sopra, generare una sequenza di impulsi di corrente endogena random mediante auto-amplificazione azionata da ionizzazione da impatto (per esempio, con un guadagno di 10<6>) di portatori di carica generati termicamente, vale a dire valanghe.

[0079]. Ritornando alle forme di realizzazione delle figure 3 e 4, il dispositivo 200 comprende inoltre un’unità di elaborazione dati 202 configurata per ricevere detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 e determinare una sequenza random di bit S2 da fornire a un utilizzatore finale EU (End User), sulla base di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0080]. Esempi di utilizzatore finale EU sono dispositivi di generazione di chiavi crittografiche, macchine elettroniche per il gioco d’azzardo, sistemi di codifica di rete casuale.

[0081]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata nella figura 3, l’unità di elaborazione dati 202 del dispositivo 200 comprende un modulo di condizionamento del segnale 203 configurato per ricevere detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1.

[0082]. Il modulo di condizionamento del segnale 203 del dispositivo 200 è configurato per determinare un segnale di arresto logico STP per ciascun impulso di corrente di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0083]. Il modulo di condizionamento del segnale 203 può essere considerato come un modulo di front-end analogico (AFE, dall’acronimo inglese, Analog Front-End).

[0084]. Secondo la forma di realizzazione della figura 3, l’unità di elaborazione dati 202 del dispositivo 200 comprende inoltre un modulo convertitore tempo-digitale 204 configurato per ricevere un segnale di inizio logico STR e ciascun segnale di arresto logico STP determinato dal modulo di condizionamento del segnale 203.

[0085]. Il modulo convertitore tempo-digitale 204 è inoltre configurato per misurare l’intervallo di tempo tra un tempo di arrivo di ciascun segnale di arresto logico STP e il tempo di arrivo del segnale di inizio logico STR.

[0086]. Secondo la forma di realizzazione della figura 3, l’unità di elaborazione dati 202 del dispositivo 200 comprende inoltre un modulo di controllo 205 configurato per fornire al modulo convertitore tempo-digitale 204 il segnale di inizio logico STR all’accensione del dispositivo 200.

[0087]. Secondo la presente forma di realizzazione, il modulo di controllo 205 è inoltre configurato per elaborare ciascun intervallo di tempo misurato dal modulo convertitore tempo-digitale 204 e per generare la sequenza random di bit S2 da fornire all’utilizzatore finale EU, sulla base di ciascun intervallo di tempo elaborato.

[0088]. Secondo una forma di realizzazione, il modulo di controllo 205 è un modulo sistema su chip (SoC, dall’acronimo inglese, System-On-Chip).

[0089]. Il modulo di controllo 205 è configurato per comunicare con l’altro modulo del dispositivo 200 attraverso un’interfaccia periferica seriale (SPI, dall’acronimo inglese, Serial Peripheral Interface) e/o protocolli di circuito inter-integrato (linee I<2>C, dall’acronimo inglese, Inter-Integrated Circuit).

[0090]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata nella figura 3, il dispositivo 200 comprende inoltre un modulo di alimentazione ad alta tensione 206 configurato per fornire alimentazione ad alta tensione all’almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio 201.

[0091]. Il modulo di alimentazione ad alta tensione 206 è inoltre configurato per controllare la dipendenza della tensione elettrica operativa e la polarizzazione eccessiva dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 rispetto al valore di tensione di breakdown.

[0092]. Secondo una forma di realizzazione, in combinazione con quella precedente, il modulo di controllo 205 è configurato per controllare l’almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio 201 tramite il modulo di alimentazione ad alta tensione 206.

[0093]. Secondo questa forma di realizzazione, il modulo di controllo 205 è inoltre configurato per controllare anche il modulo di condizionamento del segnale 203 e il modulo convertitore tempo-digitale 204.

[0094]. Come menzionato in precedenza, il modulo di condizionamento del segnale 203 può essere considerato un modulo di Front-End analogico (AFE).

[0095]. A questo proposito, secondo una forma di realizzazione, mostrata nella figura 4, il modulo di condizionamento del segnale 203 comprende un modulo di conversione corrente-tensione 401 configurato per convertire ciascun impulso di corrente della sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 in un impulso di tensione corrispondente.

[0096]. Un esempio di modulo di conversione correntetensione 401 è un amplificatore di transimpedenza.

[0097]. Secondo questa forma di realizzazione, mostrata nella figura 4, il modulo di condizionamento del segnale 203 comprende inoltre un modulo adattatore di livello 402 configurato per adattare il livello di ciascun impulso di tensione.

[0098]. Il modulo adattatore di livello 402 è a valle del modulo di conversione corrente-tensione 401.

[0099]. Un esempio di modulo adattatore di livello 402 è un modulo per deviare (off-setting) un segnale.

[0100]. Secondo questa forma di realizzazione, il modulo di condizionamento del segnale 203 comprende inoltre un modulo comparatore 403 configurato per confrontare ciascun impulso di tensione con una soglia regolabile.

[0101]. Il modulo comparatore 403 è inoltre configurato per fornire un’uscita del livello di tensione logica in qualsiasi momento in cui viene superata la soglia.

[0102]. Infatti, secondo questa forma di realizzazione, il modulo comparatore 403 è inoltre configurato per generare ciascun segnale di arresto logico STP sulla base del risultato del confronto eseguito.

[0103]. Il modulo comparatore 403 può essere basato su standard diversi, per esempio, standard TTL, standard NIM, standard CMOS, standard ECL e così via.

[0104]. Il modulo comparatore 403 è a valle del modulo adattatore di livello 402.

[0105]. In questa forma di realizzazione, il dispositivo 200 comprende inoltre un modulo convertitore digitaleanalogico 404 operativamente collegato al modulo comparatore 403 e configurato per fornire al modulo comparatore 403 la soglia regolabile.

[0106]. Il modulo convertitore digitale-analogico 404 è controllato dal modulo di controllo 205.

[0107]. Secondo un’altra forma di realizzazione, mostrata nella figura 4, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione precedentemente descritta, il dispositivo 200 comprende inoltre una cella Peltier 405 operativamente associata all’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0108]. La cella Peltier 405, basata su controllo in temperatura, è configurata per controllare le variazioni di temperatura dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0109]. A questo proposito, sebbene la casualità non sia influenzata dalle variazioni di temperatura, lo studio della frequenza di impulsi di corrente rispetto alla temperatura può essere di interesse per le utenze finali.

[0110]. Secondo una forma di realizzazione, la cella Peltier 405 è incorporata in un pacchetto (package) che integra anche l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0111]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata nella figura 4, il dispositivo 200 comprende un modulo convertitore DC-DC riduttore (buck) 406 operativamente collegato alla cella Peltier 405.

[0112]. Il modulo convertitore DC-DC riduttore 406 è configurato per polarizzare la cella di Peltier 405.

[0113]. Il modulo convertitore DC-DC riduttore 406 è controllato dal modulo di controllo 205.

[0114]. Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, mostrata nella figura 4, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione precedentemente descritta, il modulo di controllo 205 comprende un’interfaccia di uscita 407 configurata per fornire all’utilizzatore finale EU la sequenza random di bit S2 da fornire a un utilizzatore finale EU.

[0115]. Esempi di interfaccia di uscita 407 possono essere porte di comunicazione di tipo Ethernet, di tipo USB o di tipo Wi-Fi.

[0116]. Secondo le differenti forme di realizzazione, l’integrazione del dispositivo può essere raggiunta in modo efficace, altamente personalizzabile ed efficiente a livello economico.

[0117]. Infatti, secondo una forma di realizzazione, non mostrata nelle figure, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione descritta in precedenza, l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 può essere alloggiato in un pacchetto di involucro di transistore TO (dall’acronimo inglese, Transistor Outline), integrando anche la cella Peltier 405 e facilitando allo stesso tempo il mascheramento dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 dalla luce esterna.

[0118]. Inoltre, secondo un’ulteriore forma di realizzazione, non mostrata nelle figure, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione descritta in precedenza, si noti che la misurazione del tempo può essere eseguita attraverso differenti architetture.

[0119]. Ad esempio, è possibile usare un chip specifico, che offre la possibilità, a un costo per unità inferiore al dollaro, di misurare il tempo da due sorgenti indipendenti con una risoluzione al livello di 55 ps, una digitalizzazione temporale di oltre 24 bit e la possibilità di registrare fino a cinque (5) segnali di arresto logico per ogni ciclo.

[0120]. Tuttavia, si osservi che, in termini di consumo energetico, si prevede che questa forma di realizzazione richieda almeno alcuni Watt e si dovranno immaginare tipiche strutture multistrato su un’area tipica compresa tra 25 e 100 cm<2>.

[0121]. Per quanto riguarda dimensioni e consumo energetico, è possibile considerare un’ulteriore forma di realizzazione, non mostrata nella figura, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione descritta in precedenza.

[0122]. Secondo questa forma di realizzazione, il modulo convertitore tempo-digitale 204 può essere implementato in un chip di un array di gate programmabili sul campo (FPGA), dove è provato che un numero di architetture siano affidabili.

[0123]. Secondo questa forma di realizzazione, l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 non è controllato dalla temperatura e può essere montato su una scheda in un pacchetto SMT (tecnologia a montaggio superficiale, dall’inglese, Surface Mount Technology), ma è possibile fornire un riscontro di temperatura per la stabilizzazione di sovratensione.

[0124]. Tale forma di realizzazione può vantaggiosamente adattarsi a un’area che non supera qualche cm<2 >per un consumo energetico nell’intervallo di poche centinaia di mW.

[0125]. Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, non mostrata nelle figure, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione descritta in precedenza, un dispositivo miniaturizzato a bassa potenza può essere disposto su un circuito integrato per applicazioni specifiche (ASIC, dall’acronimo inglese, Application Specific Integrated Circuit), traendo profitto dagli avanzamenti nell’integrazione verticale di dispositivi microelettronici e nella progettazione di un modulo convertitore tempodigitale per LIDAR (dall’acronimo inglese, Light Detection and Ranging), nella fisica delle alte energie e nelle applicazioni mediche.

[0126]. Secondo questa forma di realizzazione, il dispositivo 200 può comprendere sensori foto-moltiplicatori al silicio aggiuntivi, differenti dall’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0127]. Con riferimento anche alla figura 5, sarà ora descritto un metodo 500 per generare sequenze random di bit, secondo la presente invenzione.

[0128]. Il metodo 500 comprende una fase simbolica di inizio ST.

[0129]. Il metodo 500 comprende inoltre una fase di generare 501, ad opera di almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio 201, una sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 come risultato di un’autoamplificazione azionata da ionizzazione da impatto di portatori di carica generati termicamente a cui l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201 è soggetto.

[0130]. Il metodo 500 comprende inoltre una fase di ricevere 502, ad opera di un’unità di elaborazione dati 202 di un dispositivo 200 per generare sequenze random di bit, detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1.

[0131]. Il metodo 500 comprende inoltre una fase di determinare 503, ad opera dell’unità di elaborazione dati 202, una sequenza random di bit S2 da fornire a un utilizzatore finale EU, sulla base di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0132]. Il metodo 500 termina con una fase simbolica di fine ED.

[0133]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, la fase di determinare 503 comprende inoltre una fase di determinare 504, ad opera di un modulo di condizionamento del segnale 203 dell’unità di elaborazione dati 202, un segnale di arresto logico STP per ciascun impulso di corrente di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0134]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, in combinazione con la forma di realizzazione precedente, la fase di determinare 503 comprende inoltre fasi di:

- ricevere 505, ad opera di un modulo convertitore tempodigitale 204 dell’unità di elaborazione dati 202, un segnale di inizio logico STR e ciascun segnale di arresto logico STP determinato dal modulo di condizionamento del segnale 203; - misurare 506, ad opera del modulo convertitore tempodigitale 204 dell’unità di elaborazione dati 202, l’intervallo di tempo tra un tempo di arrivo di ciascun segnale di arresto logico STP e il tempo di arrivo del segnale di inizio logico STR.

[0135]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, in combinazione con la forma di realizzazione precedente, la fase di determinare 503 comprende inoltre una fase di fornire 507, ad opera di un modulo di controllo 205 dell’unità di elaborazione dati 202, il segnale di inizio logico STR al modulo convertitore tempo-digitale 204 dell’unità di elaborazione dati 202 all’accensione del dispositivo 200.

[0136]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, in combinazione con la forma di realizzazione precedente, la fase di determinare 503 comprende inoltre fasi di:

- elaborare 508, ad opera del modulo di controllo 205, ciascun intervallo di tempo misurato mediante il modulo convertitore tempo-digitale 204;

- generare 509, mediante il modulo di controllo 205, la sequenza random di bit S2 da fornire all’utilizzatore finale EU, sulla base di ciascun intervallo di tempo elaborato.

[0137]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, la fase di determinare 504 comprende fasi di:

- convertire 510, ad opera di un modulo di conversione corrente-tensione 401 del modulo di condizionamento del segnale 203, ciascun impulso di corrente della sequenza di impulsi di corrente endogena random S1 in un impulso di tensione corrispondente;

- adattare 511, ad opera di un modulo adattatore di livello 402 del modulo di condizionamento del segnale 203, il livello di ciascun impulso di tensione;

- confrontare 512, ad opera di un modulo comparatore 403 del modulo di condizionamento del segnale 203, ciascun impulso di tensione con una soglia regolabile fornita mediante un modulo convertitore digitale-analogico 404 del dispositivo 200;

- generare 513, ad opera del modulo comparatore 403 del modulo di condizionamento del segnale 203, ciascun segnale di arresto logico STP sulla base del risultato del confronto eseguito.

[0138]. Secondo una forma di realizzazione, mostrata in linee tratteggiate nella figura 5, in combinazione con qualsiasi forma di realizzazione precedentemente descritta, il metodo 500 comprende inoltre una fase di controllare 514, ad opera di una cella Peltier 405 del dispositivo 200, operativamente associata all’almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio 201, le variazioni di temperatura dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio 201.

[0139]. Il dispositivo e il metodo secondo la presente invenzione presentano svariati vantaggi, vale a dire:

a) complessità minima grazie alla natura endogena degli impulsi random di natura quantica;

b) basso consumo energetico;

c) solidità rispetto alla temperatura e alle variazioni di alimentazione;

d) basso costo dovuto alla tecnologia al silicio;

e) elevata efficienza (impulso/velocità di trasmissione dei bit) (non è richiesta alcuna post-elaborazione con algoritmi di mascheramento);

f) efficacia dei costi;

g) velocità di trasmissione dei bit ragionevolmente elevata (superiore a quella di un sensore da 1 Mbps/mm2);

h) scalabilità.

[0140]. Gli esperti nella tecnica possono apportare cambiamenti e adattamenti alle forme di realizzazione descritte sopra del dispositivo e metodo per generare sequenze random di bit o possono sostituire elementi con altri che sono funzionalmente equivalenti al fine di soddisfare bisogni contingenti senza discostarsi dall’ambito delle seguenti rivendicazioni. Ciascuna delle caratteristiche descritte come appartenente a una possibile forma di realizzazione può essere implementata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (200) per generare sequenze random di bit, comprendente: - almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201) configurato per generare una sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) come risultato di un’autoamplificazione indotta da una ionizzazione da impatto di portatori di carica generata termicamente a cui può essere soggetto l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201); - un’unità di elaborazione dati (202) configurata per ricevere detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) e determinare una sequenza random di bit (S2) da fornire a un utilizzatore finale (EU), sulla base di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).
2. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di elaborazione dati (202) comprende un modulo di condizionamento del segnale (203) configurato per ricevere detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1), detto modulo di condizionamento del segnale (203) essendo configurato per determinare un segnale di arresto logico (STP) per ciascun impulso di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).
3. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 2, in cui detta unità di elaborazione dati (202) comprende inoltre un modulo convertitore tempo-digitale (204) configurato per ricevere un segnale di inizio logico (STR) e ciascun segnale di arresto logico (STP) determinato dal modulo di condizionamento del segnale (203), detto modulo convertitore tempo-digitale (204) essendo inoltre configurato per misurare l’intervallo di tempo tra un tempo di arrivo di ciascun segnale di arresto logico (STP) e il tempo di arrivo del segnale di inizio logico (STR).
4. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 3, in cui l’unità di elaborazione dati (202) comprende un modulo di controllo (205) configurato per inviare al modulo convertitore tempo-digitale (204) detto segnale di inizio logico (STR) all’accensione del dispositivo (200), detto modulo di controllo (205) essendo inoltre configurato per elaborare ciascun intervallo di tempo misurato dal modulo convertitore tempo-digitale (204) e generare la sequenza random di bit (S2) da fornire all’utilizzatore finale (EU), sulla base di ciascun intervallo di tempo elaborato.
5. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre un modulo di alimentazione ad alta tensione (206) configurato per fornire un’alimentazione ad alta tensione all’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201), il modulo di alimentazione ad alta tensione (206) essendo inoltre configurato per controllare la dipendenza della tensione elettrica operativa e la polarizzazione eccessiva dell’almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio (201) rispetto al valore di tensione di breakdown.
6. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 4, in cui il modulo di controllo (205) è configurato per controllare l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201) tramite il modulo di alimentazione ad alta tensione (206), il modulo di controllo (205) essendo inoltre configurato per controllare anche il modulo di condizionamento del segnale (203) e il modulo convertitore tempo-digitale (204).
7. Dispositivo (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-6 precedenti, in cui il modulo di condizionamento del segnale (203) comprende: - un modulo di conversione corrente-tensione (401) configurato per convertire ciascun impulso di corrente della sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) in un impulso di tensione corrispondente; - un modulo adattatore di livello (402) configurato per adattare il livello di ciascun impulso di tensione; - un modulo comparatore (403) configurato per confrontare ciascun impulso di tensione con una soglia regolabile fornita da un modulo convertitore digitale-analogico (404) operativamente collegato al modulo comparatore (203), il modulo comparatore (403) essendo inoltre configurato per generare ciascun segnale di arresto logico (STP) sulla base del risultato del confronto eseguito.
8. Dispositivo (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 2-7, comprendente inoltre una cella Peltier (405) operativamente associata all’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201), detta cella Peltier (405), basata sul controllo in temperatura, essendo configurata per controllare le variazioni di temperatura dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).
9. Dispositivo (200) secondo la rivendicazione 8, in cui detta cella Peltier (405) è incorporata in un pacchetto che integra anche l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).
10. Dispositivo (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 8 e 9, comprendente inoltre un modulo convertitore DC-DC riduttore (406) operativamente collegato alla cella Peltier (405), il modulo convertitore DC-DC riduttore (406) essendo configurato per polarizzare la cella Peltier (405), il modulo convertitore DC-DC riduttore (407) essendo controllato dal modulo di controllo (205).
11. Dispositivo (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 4-9, in cui il modulo di controllo (205) comprende un’interfaccia di uscita (407) configurata per fornire all’utilizzatore finale (EU) la sequenza random di bit (S2) da fornire a un utilizzatore finale (EU).
12. Metodo (500) per generare sequenze random di bit, comprendente fasi di: - generare (501), ad opera di almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio (201), una sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) come risultato di un’autoamplificazione azionata da ionizzazione da impatto di portatori di carica generati termicamente a cui l’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201) è soggetto; - ricevere (502), ad opera di un’unità di elaborazione dati (202) di un dispositivo (200) per generare sequenze random di bit, detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1); - determinare (503), ad opera dell’unità di elaborazione dati (202), una sequenza random di bit (S2) da fornire ad un utilizzatore finale (EU), sulla base di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) ricevuta da detto almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).
13. Metodo (500) secondo la rivendicazione 12, in cui la fase di determinare (503) comprende inoltre una fase di determinare (504), ad opera di un modulo di condizionamento del segnale (203) dell’unità di elaborazione dati (202), un segnale di arresto logico (STP) per ciascun impulso di corrente di detta sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) ricevuta da detto almeno un sensore fotomoltiplicatore al silicio (201).
14. Metodo (500) secondo la rivendicazione 13, in cui la fase di determinare (503) comprende inoltre fasi di: - ricevere (505), ad opera di un modulo convertitore tempo-digitale (204) dell’unità di elaborazione dati (202), un segnale di inizio logico (STR) e ciascun segnale di arresto logico (STP) determinato dal modulo di condizionamento del segnale (203); - misurare (506), ad opera del modulo convertitore tempodigitale (204) dell’unità di elaborazione dati (202), l’intervallo di tempo tra un tempo di arrivo di ciascun segnale di arresto logico (STP) e il tempo di arrivo del segnale di inizio logico (STR).
15. Metodo (500) secondo la rivendicazione 14, in cui la fase di determinare (503) comprende inoltre una fase di fornire (507), ad opera di un modulo di controllo (205) dell’unità di elaborazione dati (202), il segnale di inizio logico (STR) al modulo convertitore tempo-digitale (204) dell’unità di elaborazione dati (202) all’accensione del dispositivo (200).
16. Metodo (500) secondo la rivendicazione 15, in cui la fase di determinare (503) comprende inoltre fasi di: - elaborare (508), ad opera del modulo di controllo (205), ciascun intervallo di tempo misurato mediante il modulo convertitore tempo-digitale (204); - generare (509), ad opera del modulo di controllo (205), la sequenza random di bit (S2) da fornire all’utilizzatore finale (EU), sulla base di ciascun intervallo di tempo elaborato.
17. Metodo (500) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16 precedenti, in cui la fase di determinare (504) comprende fasi di: - convertire (510), ad opera di un modulo di conversione corrente-tensione (401) del modulo di condizionamento del segnale, ciascun impulso di corrente della sequenza di impulsi di corrente endogena random (S1) in un impulso di tensione corrispondente; - adattare (511), ad opera di un modulo adattatore di livello (402) del modulo di condizionamento del segnale, il livello di ciascun impulso di tensione; - confrontare (512), ad opera di un modulo comparatore (403) del modulo di condizionamento del segnale (203), ciascun impulso di tensione con una soglia regolabile fornita mediante un modulo convertitore digitale-analogico (404) del dispositivo (200); - generare (513), ad opera del modulo comparatore (403) del modulo di condizionamento del segnale (203), ciascun segnale di arresto logico (STP) sulla base del risultato del confronto eseguito.
18. Metodo (500) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti 12-17, comprendente inoltre una fase di controllare (514), ad opera di una cella Peltier (405) del dispositivo (200), operativamente associata all’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201), le variazioni di temperatura dell’almeno un sensore foto-moltiplicatore al silicio (201).