IT201800009281A1 - Uso di un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri casuali - Google Patents

Description

USO DI UN DISPOSITIVO SEMICONDUTTORE PER LA GENERAZIONE DI NUMERI CASUALI.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne l’uso di un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri casuali (Random Number Generator, RNG), in particolare di numeri realmente casuali (True Random Number Generator, TRNG).

E’ noto che, attualmente, i generatori di numeri casuali trovano impiego in molteplici applicazioni che spaziano dall’ambito scientifico a quello crittografico.

Nel primo caso è tipico l’esempio della scienza computazionale in cui è richiesta la generazione di un certo numero di stati iniziali casuali che servono come descrizione dello stato iniziale della simulazione. Questo tipo di applicazioni generalmente richiede che le configurazioni iniziali non siano tra loro strettamente correlate ma che possano essere riprodotte in maniera deterministica per poter verificare, ad esempio, l’effetto di variazioni sui codici che eseguono le simulazioni stesse. Per questo motivo, tali sequenze sono più correttamente definite come numeri pseudo-casuali (Pseudo Random Number, PRN), perché definite attraverso algoritmi complessi che partono da un valore iniziale. In altre parole, dato un numero iniziale casuale, detto in gergo “seme”, una formula per quanto complessa riprodurrà sempre la stessa sequenza di numeri casuali. I relativi generatori sono definiti generatori di numeri pseudo-casuali (Pseudo Random Number Generator, PRNG).

Al contrario, nel secondo caso, cioè nell’utilizzo dei numeri casuali in tecniche di crittografia per l’esecuzione, per esempio, di operazioni bancarie, tale approccio si dimostra debole in quanto è necessario assicurare una perfetta impredicibilità delle sequenze generate in modo da mantenere in sicurezza informazioni altamente sensibili. In questo caso l’approccio più sicuro passa attraverso la generazione di numeri casuali ottenuti da un processo di generazione che sia realmente casuale e non permetta di predire in alcun modo la sequenza generata. Tali generatori sono noti appunto come generatori di numeri realmente casuali (TRNG). In particolare, i meccanismi quantistici, come per esempio la generazione di fotoni da parte di una sorgente luminosa, sono tra i metodi più investigati per ottenere tali sequenze di numeri realmente casuali e si basano su una indeterminazione dell’evento misurato che è insita nelle proprietà del sistema quantistico stesso.

Dal punto di vista della teoria dell’informazione, il livello di impredicibilità dei numeri casuali generati tramite entrambe le suddette due tecniche, è esprimibile mediante il parametro definito come “entropia”, noto appunto come la quantità di incertezza o informazione presente in una variabile aleatoria.

E’ inoltre importante sottolineare il fatto che l’istituto NIST (National Institute of Standards and Technology) specifica, con la direttiva NIST SP800-22, una quindicina di test statistici che consentono di stabilire se un determinato generatore di numeri casuali possiede un livello sufficiente di entropia o meno.

Come già accennato, l'uso di PRNG a scopi crittografici risulta rischioso, non solo perché determinati algoritmi hanno debolezze che si rivelano potenzialmente solo tempo dopo la loro introduzione, ma anche perché se un soggetto malintenzionato dovesse recuperare il seme da cui vengono generate tutte le sequenze casuali, potrebbe prevedere con certezza assoluta tutti i seguenti output basati sullo stesso seme.

E' altamente preferibile dunque una soluzione basata su fenomeni fisici e in particolare quantistici data l'intrinseca imprevedibilità di questi eventi, anche nei confronti di soggetti con perfetta conoscenza degli algoritmi utilizzati e con a disposizione un’elevata capacità di calcolo. Tuttavia, mentre gli algoritmi di generazione di numeri pseudo-casuali possono essere scelti per creare sequenze che abbiano alcune proprietà statistiche ben determinate con certezza assoluta, data appunto la loro natura deterministica, i numeri casuali ottenuti a partire da fenomeni fisici devono sottostare a limitazioni pratiche, dovute ad esempio a variazioni nella qualità della realizzazione della strumentazione, a fluttuazioni nell'alimentazione, a fattori ambientali quali campi esterni e sbalzi di temperatura. In generale, queste deviazioni dal caso ideale determinano un allontanamento da una distribuzione statistica uniforme e indipendente degli eventi misurabili in uno spazio campionario. Di conseguenza, si può riscontrare un abbassamento del livello entropico anche di tali generatori di numeri realmente casuali.

Per evitare ciò, tali generatori di numeri realmente casuali necessitano di una ulteriore fase, detta di “post-processing”, operata a valle dell’estrazione della sequenza di codici casuali a partire dallo specifico fenomeno fisico. Questa fase di post-processing, infatti, consente di migliorare l’uniformità della distribuzione di probabilità della sequenza di codici casuali. Tuttavia, svantaggiosamente, tale fase di post-processing ha un impatto sul così detto “bit rate” che il generatore è in grado di assicurare.

E’ altrettanto noto, come già anticipato in precedenza, che uno dei fenomeni fisici che viene sfruttato maggiormente per la generazione di numeri realmente casuali è la fotonica quantistica. Per tale motivo, tali generatori, appartenenti alla macro-categoria dei generatori TRNG, vengono anche indicati più specificatamente con l’acronimo QRNG (Quantum Random Number Generetor).

In tali generatori, infatti, una sorgente di luce attenuata genera pochi fotoni (basso valore del flusso di fotoni rivelati λ) che sono acquisiti da uno o più rivelatori di singoli fotoni, ciascuno dei quali è noto con l’acronimo SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Inoltre, il sistema prevede un’apposita elettronica posta a valle dei suddetti SPAD, composta da circuiti ausiliari e, solitamente, da uno o più TDC (Time to Digital Converter) oppure da contatori, in grado di estrarre da ciascuno di tali SPAD una sequenza casuale di bits misurando il tempo di arrivo dei fotoni acquisiti o conteggiandone il numero.

Dal punto di vista implementativo in tali generatori la sorgente di luce e il o i rivelatori sono dispositivi separati che richiedono di essere opportunamente accoppiati e schermati. Tuttavia, tale implementazione, svantaggiosamente, non è immune evidentemente all’influenza di effetti ambientali esterni incontrollati. Inoltre, il fatto che sorgente di luce e rivelatore/i siano dispositivi separati tra loro e successivamente accoppiati rende l’intero generatore di numeri casuali alquanto vulnerabile da eventuali effrazioni e manomissioni. Inoltre, ancora svantaggiosamente la suddetta implementazione determina un costo del dispositivo elevato per la necessità di accoppiare otticamente i due dispositivi.

E’ altrettanto noto che il flusso di fotoni generato da tali generatori obbedisce ad un processo Poissoniano, nel senso che gli eventi acquisiti sono indipendenti tra loro e che la probabilità di contare n fotoni all’interno di una finestra di osservazione Tw segue la distribuzione di Poiss on:

dove λ indica, appunto, il flusso di fotoni rivelati.

Il flusso di fotoni rivelati λ, le caratteristiche dei rivelatori SPAD e la modalità di estrazione dei bits determina le prestazioni finali del generatore.

Detto ciò, sul mercato sono disponibili differenti tipologie di generatori di numeri casuali basati sul concetto QRNG. Tali generatori in particolare coprono una vasta gamma di applicazioni, che vanno dai dispositivi portatili USB che forniscono poche centinaia di kbit/s fino a grandi sistemi elettronici capaci di garantire un bit rate di centinaia di Mbit/s. In letteratura, inoltre, sono state proposte differenti logiche e architetture configurate per la determinazione delle sequenze di numeri realmente casuali a partire da un fenomeno fisico, in particolare dalla rivelazione dei fotoni. La maggior parte di essi rivela il “tempo di arrivo” oppure il numero di fotoni che incidono la superficie sensibile del o dei rivelatori SPAD.

In particolare, per quanto riguarda la tecnica che si basa sul così detto tempo di arrivo, è stato proposto di misurare il tempo che intercorre tra l’incidenza di un fotone e quello successivo su un singolo SPAD. Tuttavia, tale tecnica, sebbene consenta di ottenere un elevato bit rate, presenta una considerevole distorsione (bias) dovuta al fatto che, come già detto, la sorgente di fotoni obbedisce al suddetto processo Poissoniano.

Per superare tale inconveniente, l’arte nota propone di intervenire direttamente sulla sorgente di fotoni, controllando in modo appropriato il flusso di fotoni da essa generato. Tale intervento, in particolare, prevede di variare la corrente di pilotaggio della sorgente di fotoni in modo da rendere il più possibile uniforme la sua distribuzione statistica nel tempo.

Tuttavia, svantaggiosamente, tale approccio necessita l’introduzione nel generatore di numeri casuali di un’apposita elettronica in grado di eseguire il suddetto pilotaggio della sorgente di fotoni, determinando quindi un aumento della complessità e delle dimensioni dello stesso generatore.

La presente invenzione intende superare gli inconvenienti detti.

In particolare, l’invenzione si pone lo scopo di utilizzare un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri realmente casuali che presenti una struttura più compatta, più robusta, meno complessa rispetto ai generatori di numeri casuali dell’arte nota, in particolare rispetto a quei generatori che richiedono l’utilizzo di una sorgente (esterna) di fotoni.

Infatti, la compattezza del dispositivo dell’invenzione consente vantaggiosamente di integrare quest’ultimo nel medesimo substrato semiconduttore assieme ad altri dispositivi semiconduttori.

Ancora scopo dell’invenzione è di utilizzare un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri realmente casuali che consenta di garantire un elevato livello di entropia in modo, almeno, da superare i test statistici stabiliti dal NIST.

Altro scopo dell’invenzione è di utilizzare un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri realmente casuali che consenta di ottenere un elevato bit rate nella generazione di sequenza casuali di bits.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è l’utilizzo di un dispositivo semiconduttore per generare numeri realmente casuali con un elevato grado di sicurezza contro eventuali effrazioni e manomissioni dei suoi componenti interni.

Non ultimo scopo dell’invenzione è l’utilizzo di un dispositivo semiconduttore per generare numeri realmente casuali più economico rispetto ai generatori dell’arte nota.

Gli scopi detti sono raggiunti dall’uso del dispositivo semiconduttore avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale.

In particolare, secondo l’invenzione, il dispositivo semiconduttore usato per la generazione di numeri casuali comprende, integrati monoliticamente, un diodo a valanga e mezzi iniettori di portatori di cariche, preferibilmente elettroni, operativamente associati a detto diodo a valanga in modo che dette cariche generate da detti mezzi iniettori inneschino l’effetto a valanga di detto diodo a valanga.

Infatti, vantaggiosamente l’uso del suddetto dispositivo per la generazione di numeri casuali permette di avere un basso livello di rumore intrinseco, essendo tale dispositivo di ridotte dimensioni. Infatti, è noto che il rumore intrinseco di tali tipologie di dispositivi dipende dalla densità di imperfezioni nel silicio. Quindi la minor dimensione di un dispositivo implica una minore probabilità della presenza di suddette imperfezioni all'interno del dispositivo stesso. Inoltre, vantaggiosamente l’uso del suddetto dispositivo per la generazione di numeri casuali determina una minor sensibilità a fattori esterni rispetto all’uso dei dispositivi dell’arte nota. Il livello di tale sensibilità, infatti, può influenzare l'efficienza o la qualità della generazione dei numeri casuali.

Ancora vantaggiosamente, tale dispositivo semiconduttore, grazie alla sua compattezza e integrazione, consente eventualmente di implementare un controllo locale diretto.

Inoltre, vantaggiosamente, la compattezza del dispositivo semiconduttore dell’invenzione consente eventualmente di integrare nel medesimo substrato semiconduttore una pluralità di tali dispositivi dell’invenzione, identici tra loro.

I suddetti scopi, assieme ai vantaggi che verranno menzionati in seguito, saranno evidenziati durante la descrizione di alcune preferite forme esecutive dell'invenzione che vengono date, a titolo indicativo ma non limitativo, con riferimento alle tavole di disegno allegate, dove:

- in fig. 1 è rappresentata secondo un piano di sezione verticale la topografia di una prima forma esecutiva del dispositivo semiconduttore usato per la generazione di numeri casuali secondo l’invenzione;

- in fig. 2 è rappresentata secondo un piano di sezione verticale la topografia di una seconda forma esecutiva del dispositivo semiconduttore usato per la generazione di numeri casuali secondo l’invenzione.

L’invenzione è relativa all’uso per la generazione di numeri casuali di un dispositivo semiconduttore rappresentato, secondo alcune forme esecutive alternative, nelle figure 1 e 2, ove è indicato complessivamente con 1.

In particolare, tale dispositivo semiconduttore 1 comprende, integrati monoliticamente, un diodo a valanga 2 e mezzi iniettori 3 di portatori di cariche, in particolare di elettroni e, operativamente associati a tale diodo a valanga in modo che i portatori di cariche generati dai mezzi iniettori 3 inneschino l’effetto a valanga del diodo a valanga 2.

In sostanza, l’idea alla base dell’invenzione è quella di innescare l’effetto a valanga del diodo a valanga 2 mediante l’iniezione nello stesso dispositivo semiconduttore 1 di portatori di cariche, in particolare di elettroni e, al limite di un singolo elettrone e, sulla giunzione che definisce il suddetto diodo a valanga 2.

Dunque, a differenza di quanto descritto nell’arte nota, tale effetto a valanga è determinato da uno o più elettroni e e non invece da fotoni. Secondo l’invenzione, il segnale di uscita del diodo a valanga 2, prelevato dal terminale di uscita 6, viene digitalizzato e quindi utilizzato per generare un numero casuale mediante tecniche di per sé nota.

Secondo la preferita forma esecutiva dell’invenzione, tale diodo a valanga 2 presenta la medesima struttura di uno SPAD (Single Avalanche PhotoDiode) 21, come si osserva in fig. 1.

Tale SPAD 21, in particolare, viene inversamente polarizzato, preferibilmente per operare in modalità Geiger.

Poiché l’effetto a valanga dello SPAD 21 potrebbe essere innescato da uno o più fotoni, preferibilmente ma non necessariamente la superficie sensibile esterna 11 del dispositivo semiconduttore 1 è inibita alla rivelazione di fotoni mediante la sovrapposizione di un filtro inibitore di luce 4, in particolare mediante uno strato di metallizzazione 41 depositato superiormente a tale superficie sensibile esterna 11.

In alternativa, per impedire alla luce impattare sulla superficie sensibile esterna 11 del dispositivo semiconduttore 1, quest’ultimo potrebbe essere incapsulato in un package plastico.

Preferibilmente il dispositivo semiconduttore 1 dell’invenzione comprende anche un circuito di quenching connesso in serie al diodo a valanga 2 per arrestare l’effetto a valanga, una vota innescato. Preferibilmente ma non necessariamente, tale circuito di quenching è un circuito di quenching passivo, nel dettaglio, una resistenza, non rappresentata nelle tavole allegate.

Per quanto riguarda i mezzi iniettori 3, secondo la preferita forma esecutiva rappresentata in fig. 1, essi comprendono un ulteriore diodo 31 atto ad essere polarizzato in modo da iniettare i portatori di cariche verso il diodo a valanga 2.

In particolare, il suddetto diodo 31, che costituisce i mezzi iniettori 3, è definito realizzando un innesto n+ nello strato drogato p che, assieme al sottostante strato drogato n, definisce a sua volta lo SPAD 21.

In alternativa, come rappresentato in fig. 2, tali mezzi iniettori 3 potrebbero comprendere un gate metallico 32 definito sopra lo strato drogato p dello SPAD 21. In tal caso al terminale di gate metallico 32 sarebbe necessario fornire un segnale elettrico impulsato in modo da iniettare i suddetti portatori di cariche verso lo SPAD 21.

Alternativamente, tali mezzi iniettori 3 potrebbero essere definiti mediante l’utilizzo di un drogaggio elevato in entrambi gli strati p e n che costituiscono lo SPAD 21.

In tale modo, infatti, si aumenta probabilità dell’effetto tunneling che permette quindi di innescare l’effetto a valanga nello SPAD 2.

In particolare, lo strato meno drogato tra i due strati p ed n del diodo a valanga 2 deve comunque avere un grado di drogaggio nell’intervallo tra 10^17 - 10^18 at./cm2.

Come accennato sopra, secondo l’invenzione, l’uso del suddetto dispositivo semiconduttore 1 per la generazione di numeri casuali prevede di prelevare il segnale di uscita dello SPAD 21 dal suddetto terminale di uscita 5 e di elaborarlo, mediante digitalizzazione e mediante appositi algoritmi, di per sé noti, configurati appunto per la generazione di numeri casuali.

Vista la compattezza del singolo dispositivo semiconduttore 1, non è escluso che in un medesimo substrato semiconduttore possano essere integrati più dispositivi semiconduttore 1 secondo quanto descritto sopra. Tale implementazione consentirebbe, vantaggiosamente, di aumentare il flusso di random bit.

Inoltre, preferibilmente tale dispositivo semiconduttore 1, viene realizzato in tecnologia standard CMOS.

Ciò consente, vantaggiosamente, di integrare uno o più dei suddetti dispositivi semiconduttori 1 su un qualsiasi chip come elemento integrante all’interno di un dispositivo semiconduttore più complesso. Inoltre, il fatto di realizzare i suddetti dispositivi semiconduttori 1 in tecnologia standard CMOS, consente, vantaggiosamente, di implementare nel medesimo substrato semiconduttore anche la circuiteria per l’elaborazione del segnale in uscita agli stessi dispositivi.

In base a quanto detto quindi l’uso del dispositivo semiconduttore sopra descritto permette di raggiungere tutti gli scopi prefissati.

In particolare, è raggiunto lo scopo di utilizzare un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri realmente casuali che presenti una struttura più compatta, più robusta, meno complessa rispetto ai generatori di numeri casuali dell’arte nota.

Infatti, la compattezza del dispositivo dell’invenzione consente vantaggiosamente di integrare quest’ultimo nel medesimo substrato semiconduttore assieme ad altri dispositivi semiconduttori.

Altro scopo raggiunto dall’invenzione è l’utilizzo di un dispositivo semiconduttore per generare numeri realmente casuali che consenta di garantire un elevato livello di entropia in modo, almeno, da superare i test statistici stabiliti dal NIST.

Un ulteriore scopo raggiunto è di utilizzare un dispositivo semiconduttore per la generazione di numeri realmente casuali che consenta di ottenere un elevato bit rate nella generazione di sequenza casuali di bits.

Ancora, scopo raggiunto dall’invenzione è l’utilizzo di un dispositivo semiconduttore per generare numeri realmente casuali con un elevato grado di sicurezza contro eventuali effrazioni e manomissioni dei suoi componenti interni.

Infine è raggiunto anche lo scopo di utilizzare di un dispositivo semiconduttore per generare numeri realmente casuali più economico rispetto ai generatori dell’arte nota.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Uso per la generazione di numeri casuali di un dispositivo semiconduttore (1) del tipo comprendente, integrati monoliticamente, un diodo a valanga (2) e mezzi iniettori (3) di portatori di cariche, detti mezzi iniettori (3) essendo operativamente associati a detto diodo a valanga (2) in modo che detti portatori di cariche generati da detti mezzi iniettori (3) inneschino l’effetto a valanga di detto diodo a valanga (2).
2. 2) Uso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto diodo a valanga (2) è uno SPAD (21).
3. 3) Uso secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto SPAD (21) è polarizzato inversamente.
4. 4) Uso secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto SPAD (21) è polarizzato inversamente in modo da operare in modalità Geiger.
5. 5) Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo semiconduttore (1) presenta la propria superficie sensibile esterna (11) inibita alla rivelazione di fotoni mediante la sovrapposizione di un filtro inibitore di luce (4).
6. 6) Uso secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto filtro inibitore di luce (4) comprende uno strato di metallizzazione (41) depositato superiormente a detta superficie sensibile esterna (11).
7. 7) Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi iniettori (3) comprendono un diodo (31) atto ad essere polarizzato in modo da iniettare detti portatori di cariche verso detto diodo a valanga (3).
8. 8) Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi iniettori (3) comprendono un gate metallico (32) al quale è fornita un segnale elettrico impulsato in modo da iniettare detti portatori di cariche verso detto diodo a valanga (2).
9. 9) Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi iniettori (3) sono ottenuti elevando il livello di drogaggio degli strati n e p che costituiscono detto diodo a valanga (2) in modo da aumentare la probabilità dell’effetto tunneling e l’innesco dell’effetto a valanga di detto diodo a valanga (2).
10. 10) Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il segnale di uscita di detto diodo a valanga (2) viene elaborato per la generazione di un numero casuale.
11. 11) Uso secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo semiconduttore (1) comprende un circuito di quenching connesso in serie a detto diodo a valanga (2).
12. 12) Uso secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti portatori di cariche sono elettroni (e).