JP2002236582A - 乱数発生装置および確率発生装置 - Google Patents

乱数発生装置および確率発生装置

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JP2002236582A JP2001030833A JP2001030833A JP2002236582A JP 2002236582 A JP2002236582 A JP 2002236582A JP 2001030833 A JP2001030833 A JP 2001030833A JP 2001030833 A JP2001030833 A JP 2001030833A JP 2002236582 A JP2002236582 A JP 2002236582A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能で、且つ安全性の高いデジタル構成の
乱数発生装置および確率発生装置を提供する。 【解決手段】 二つの入力部に入力されるパルス信号の
位相差によって出力の状態(0または1)が確定するフ
リップ・フロップ1と、これら二つのクロック信号に位
相差を持たせる遅延部2と、クロック信号によるフリッ
プ・フロップ出力の0または1の出現率が所定の繰り返
し周期内で一定になるように前記遅延部2による位相差
を制御するフィードバック回路3とで構成する。本構成
によれば、一様性を有し、規則性、相関性、周期性を有
しない自然乱数発生装置をLSI化の容易なデジタル回
路で実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、科学技術計算、ゲ
ーム機、或いは暗号化処理等に利用して好適な乱数発生
装置、およびこの乱数発生装置を使用して構成した確率
発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高度な科学技術計算やゲーム機、或いは
暗号化処理等には乱数の使用が不可欠であり、近年、一
様性(乱数や確率値によって出現率に差異が生じないこ
と)を有し、且つ、乱数出現の規則性、前後の相関性、
周期性等を有しない高性能な自然乱数(真性乱数)の発
生装置や確率発生装置の需要が益々増加してきている。
【0003】そして、上記した自然乱数/確率発生装置
としては、例えば、微弱放射線、抵抗やダイオードの熱
雑音、或いは水晶発振器の揺らぎ等を利用して得られる
ランダムなパルスを利用したものが公知である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した自
然現象によるランダムパルスを利用した乱数/確率発生
回路においては、前記ランダムパルスの発生源、信号の
増幅器、波形整形、一様性の適正化回路等のアナログ的
要素が多分に含まれることから回路規模も大きく、且つ
複雑となり、よって、これらを一体のロジックLSIと
して搭載することは難しく、今後需要増が期待されるI
Cカード等のような超小型、薄型ハイテク機器への適用
に対しても不利となる。また、LSI化が困難であるこ
とから生産性が悪く、コスト的にも高くなる。
【0005】特に、熱雑音を利用したものは、外部ノイ
ズや電源変動、或いは温度等の影響を受け易いため、動
作の安定性に欠ける欠点があり、また、放射線を利用し
たものは、例え微弱であっても放射線の環境等への影響
が懸念されることから、使用可能な放射線量には限界が
あり、よって、短時間に大量の乱数を発生させるような
用途には対応困難であった。
【0006】本発明は、デジタル回路による構成で自然
乱数の生成を実現することにより、上記従来技術の課題
であった一様性や規則性、相関性、周期性等の問題を解
消した高性能で、且つ安全性の高い乱数発生装置および
確率発生装置を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】二つの入力部に入力され
る信号の位相差に応じて出力の状態(0または1)が確
定するフリップ・フロップとして、Dタイプフリップ・
フロップが知られている。このDタイプフリップ・フロ
ップは、図13に示すように、入力部としてクロック端
子CLKとデータ端子Dを有しており、図14(a)、
(b)に示す入出力波形ように、CLK入力立ち上がり時
のデータ端子Dの状態(0か1)によって出力Qと/Q(/
Q:Q の反転出力)の状態が確定する、所謂エッジトリ
ガタイプのフリップ・フロップである。ここで、図14
(a)、若しくは図14(b)の状態からCLK信号の立
ち上がり時間とD信号の立ち上がり時間の差(位相差)
Δtを0に近づけていくと、図14(c)に示すよう
に、フリップ・フロップ出力Qn、/Qnが不確定となる位
相差の範囲が存在する。
【0008】本発明は、このようなフリップ・フロップ
の不確定動作を積極的に利用して自然乱数を生成をする
ものである。
【0009】すなわち、請求項1に記載の乱数発生装置
は、二つの入力部に入力される信号の位相差に応じて出
力の状態(0または1)が確定するフリップ・フロップ
と、これら二つの入力信号に位相差を生じさせる遅延部
と、入力信号によるフリップ・フロップ出力の0または
1の出現率が所定の繰り返し周期内で一定になるように
前記遅延部による位相差を制御するフィードバック回路
とで構成されることを特徴としている。
【0010】また、請求項2に記載の乱数発生装置は、
前記遅延部は、前記入力信号を数段階に遅延し出力する
遅延回路と、セレクト入力に応じて遅延出力の何れかを
選択する選択回路とで構成されることを特徴としてい
る。
【0011】また、請求項3に記載の乱数発生装置は、
前記フィードバック回路は、前記入力信号の所定の繰り
返し周期を計測する第1のカウンターと、繰り返し周期
毎に前記フリップ・フロップ出力の0または1の出現数
を計測する第2のカウンターと、当該第2のカウンター
の計測出力を繰り返し周期毎に保持するレジスターと、
前記フリップ・フロップ出力の0または1の出現率を設
定するための比較データを発生する定数設定器と、前記
レジスターの出力データと前記比較データの大小を比較
する比較器と、当該比較器の比較出力に基づいて前記選
択回路のセレクト信号を発生する可逆カウンターとで構
成されることを特徴としている。前記請求項1から請求
項3に記載の構成では、乱数の発生に係わり、一様性を
有し、且つ規則性、相関性、周期性を有しない自然乱数
の発生装置を全てデジタル回路で実現することができ
る。また、入力信号の繰り返し周期と遅延部における設
定位相差の分解能を適正に設定することにより、大量の
乱数を高速で生成できる。しかも、デジタル回路構成で
あればLSI化への対応も容易である。
【0012】また、請求項4に記載の乱数発生装置は、
前記第1のカウンターに設定する繰り返し周期の設定デ
ータと前記比較器の比較データとして、前記フリップ・
フロップより出力される乱数を、または当該乱数をスク
ランブルして構成した乱数を用いることを特徴としてい
る。本構成では、乱数の生成に係わる周期性を完全に無
くすことができる。
【0013】また、請求項5に記載の乱数発生装置は、
請求項3に記載の乱数発生装置と同じ構成の補助乱数発
生器を備え、前記第1のカウンターに設定する繰り返し
周期の設定データと前記比較器の比較データとして、前
記補助乱数発生器による乱数を用いることを特徴として
いる。
【0014】また、請求項6に記載の乱数発生装置は、
請求項3に記載の乱数発生装置と同じ構成の補助乱数発
生器を備え、前記第1のカウンターに設定する繰り返し
周期の設定データと前記比較器の比較データとして、前
記補助乱数発生器による乱数と前記乱数発生装置による
乱数をスクランブルして構成した乱数を用いることを特
徴としている。前記請求項5と請求項6に記載の構成で
は、補助乱数発生器からの乱数データは一切外部(乱数
発生装置外)に出力されないため、生成される乱数の性
質、傾向、周期性等の予測は不可能であり、よって、完
全な自然乱数とすることができる。
【0015】また、請求項7に記載の乱数発生装置は、
前記フリップ・フロップの入力信号ラインに波形整形回
路を付加して成ることを特徴としている。波形整形によ
り生ずる入力信号の鈍りによってフリップ・フロップの
不確定動作範囲が拡がり、乱数の生成がより容易にな
る。
【0016】また、請求項8に記載の乱数発生装置は、
前記比較器の比較データを電源投入時に所定期間0に設
定する初期制御回路を備えて成ることを特徴としてい
る。これにより、電源投入から適正な乱数が生成される
迄の期間を短縮できる。
【0017】また、請求項9に記載の乱数発生装置は、
前記フリップ・フロップとしてDタイプフリップ・フロ
ップ、もしくはR−Sフリップ・フロップを用いること
を特徴としている。
【0018】また、請求項10に記載の乱数発生装置
は、請求項1から請求項9までの何れかに記載の乱数発
生装置を複数並列に配置して構成したことを特徴として
いる。この並列型乱数発生装置を構成する各々乱数発生
装置間に相互関係は全く存在しない。また、個々の乱数
発生装置についても規則性、相関性、周期性は無い。
【0019】また、請求項11に記載の確率発生装置
は、請求項1から請求項10までの何れかに記載の乱数
発生装置を備えて成ることを特徴としている。既述した
ように、当該乱数発生装置は一様性を有し、且つ規則
性、相関性、周期性を有しないから、全体の確率分布は
一様である。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、図1〜図12に基づいて本
発明に係る乱数発生装置および確率発生装置の実施形態
を説明する。
【0021】図1は乱数発生装置の第1実施形態を示す
回路図である。図1に示すように、第1実施形態の乱数
発生装置10は、フリップ・フロップ1と遅延部2とフ
ィードバック回路3とで構成される。
【0022】ここで、前記フリップ・フロップ1として
は、二つの入力部に入力される入力信号(CLOCK)
の位相差によって出力の状態(0または1)が確定する
機能を有するフリップ・フロップが使用可能であり、本
実施形態では、信号入力用にクロック端子CLKとデー
タ端子Dを備えた図13に示すDタイプフリップ・フロ
ップを使用している。
【0023】また、前記遅延部2は、複数の遅延出力端
子を有し、直列に接続され二つの遅延回路17,18
(ディレーライン)とセレクト入力に応じてこの遅延出
力の何れか一つを選択する選択回路19(セレクター)
とで構成され、前記二つの遅延回路17,18の接続点
(遅延中間点となる)が前記Dタイプフリップ・フロッ
プ1のクロック端子CLKに接続されると共に、選択回
路19の出力がデータ端子Dに接続されて、Dタイプフ
リップ・フロップ1に入力される二つの信号の立ち上が
り時間の位相差を任意に調整できるように構成されてい
る。
【0024】また、前記フィードバック回路3は、第1
のカウンター11、第2のカウンター12、レジスター
14、定数設定器16、比較器15、および可逆カウン
ター13(アップ/ダウンカウンター)とで構成され
る。
【0025】第1のカウンター11は入力信号CLOC
Kの予め決められた繰返し周期[CLOCK数(2×
m)]を計測し、第2のカウンター12は、この繰り返
し周期毎に前記フリップ・フロップ出力の1(または
0)の出現数を計測する。また、レジスター14は第2
のカウンター12のカウント値を繰り返し周期毎に取り
込んで保持する。尚、カウント値がレジスター14にセ
ットされる毎に第2のカウンター12は0にクリアされ
る。定数設定器16はフリップ・フロップ出力の1(ま
たは0)の出現率を設定するための比較データを出力す
る。本実施形態では、前記繰返し周期[CLOCK数
(2×m)]の1/2の値(m)が出力されるように予
め設定されている。また、比較器15はレジスター14
の保持データ(n)と定数設定器16からの比較データ
(m)を比較し、比較結果(n>m)または(n=m)
または(n<m)に対応した比較出力を発生する。可逆
カウンター13は、前記比較器15からの比較出力によ
り設定される動作モードにて動作し、そのカウントデー
タを次段選択回路19のセレクト信号sとして出力す
る。そして、既述のように選択回路19はセレクト信号
sにより選択された原CLOCK信号の所定の遅延信号
を出力する。
【0026】すなわち、上記構成によれば、レジスター
14の出力データ(n)と、この定数設定器16からの
出力データ(m)の比較出力に応じて可逆カウンター1
3が繰り返し周期毎にアップ/ダウン動作(例えば、n
>m時はカウントアップ、n<m時はカウントダウン)
を行い、比較器15の比較出力がn=m(n=m時はカ
ウント動作停止し、CLOCK信号の位相差は一定を維
持する)に収束するようにDタイプフリップ・フロップ
1のデータ端子Dに入力されるCLOCK信号の立ち上
がり時間を自動的に補正する。具体的には、図14
(c)のように、CLK信号の立ち上がりとD信号の立
ち上がりの位相差Δtが0に近づいていくように制御さ
れる。これにより、Dタイプフリップ・フロップ1の出
力に0と1の出現率が常時50%に維持された一様性の
ある1bit のシリアル乱数データOUTが得られる。
【0027】また、本実施形態では、定数設定器16に
設定する比較データを第1のカウンター11の繰り返し
周期の1/2(即ち、m)に設定したが、このmの値を
変えることにより、Dタイプフリップ・フロップ出力の
0または1の出現率を50%以外に設定することができ
る。例えば、mを繰り返し周期の1/5に設定すれば0
または1の出現率は20%となる。
【0028】ところで、前記第1実施形態では、第1の
カウンター11の繰返し周期を常に一定(2×m)に固
定していたため、生成される乱数は何らかの周期的な傾
向を示す可能性を有していた。以下、図2から図5に示
す第2〜第4実施形態は、このような乱数の周期性を完
全に無くすための方法である。
【0029】先ず、図2に示す第2実施形態は、既述の
定数設定器16に替わり、新たにシフトレジスター2
1、加算器22、比較器23等を設けて繰り返し周期毎
に出力される乱数列を次の繰り返し周期の設定データ
(2×m)と比較器15の比較データ(m)とした実施
例である。尚、前記加算器22は、乱数列を前記設定デ
ータと比較データとして活用するために出力乱数(0〜
m−1)の範囲をプラス1して(1〜m)の範囲に変更
するものである。また、新たな比較器23は、第1のカ
ウンター11のカウントデータ(A)と加算器22の出
力データ(m)から繰り返し周期(2×m)を発生させ
るものである。
【0030】次に、図3に示す第3実施形態は、前記し
た第2実施形態にスクランブル回路24を追加し、出力
された乱数を更にスクランブルしたものを前記設定デー
タと比較データとして使用した実施例である。尚、スク
ランブルとは、複数のデータラインの任意のデータを互
いに論理演算(例えば、排他的論理和、排他的論理和と
排他的論理和同士の排他的論理和等)して原データと異
なるデータに変換することを言い、図3では、シフトレ
ジスター21の出力データ16bit がスクランブル回路
24により8bit のデータに変換されている。これら第
2、第3実施形態によれば、乱数発生に際して逐次繰り
返し周期が変化するため、生成される乱数の周期性は完
全に解消される。
【0031】次に、図4に示す第4実施形態は、前記第
2実施形態による乱数発生装置を補助乱数発生器4とし
て付加し、この補助乱数発生器4により生成される乱数
列を上記同様、繰り返し周期の設定データ(2×m)と
比較器15の比較データ(m)として使用した実施例で
あり、また、図5に示す第5実施形態は、前記第3実施
形態による乱数発生装置を補助乱数発生器5として付加
し、補助乱数発生器5の出力と乱数発生装置10自身の
出力をスクランブルした実施例である。これら、第4、
第5実施形態によれば、前記設定データと比較データと
なる補助乱数発生器4,5の乱数は乱数発生装置10の
内部回路に使用され、外部に出力されることはないか
ら、第3者による乱数の性質、傾向、周期性の予測は不
可能であり、よって、完全な自然乱数を得ることができ
る。
【0032】図6は波形整形回路25を付加した乱数発
生装置の要部回路を示している。このように、Dタイプ
フリップ・フロップ1の入力ライン(D端子と CLK端
子)に波形整形回路25を付加して各々入力信号のエッ
ジを強制的に鈍らせると、乱数の生成をより容易にする
ことができる。
【0033】図7に入出力のゲート間に抵抗Rとコンデ
ンサCによる積分回路を挿入して構成した前記波形整形
回路25を示す。図8(a)に示す入出力波形のよう
に、ゲートのスレッシュホールド電圧と積分波形の交点
で出力波形にジッターΔjが発生する。図8(b)にス
レッシュホールド電圧と積分波形の交点部の傾きλとジ
ッターΔjとの関係を示すが、この傾きλ(即ち、信号
の鈍り)が大きくなる程ジッターΔjも大きくなる。即
ち、このジッターΔjの大きさがフリップ・フロップの
不確定動作範囲を拡げることになり、結果的に乱数の生
成をより容易にする。尚、係る波形整形回路25として
は、上記の抵抗RとコンデンサCによるものだけでな
く、例えば、コイルとコンデンサにより構成しても勿論
構わない。
【0034】また、図9に示すように、上述した第2〜
第5実施形態において、比較データ用の乱数出力ライン
に初期化期間設定回路26aとゲート回路26bで構成
した初期制御回路26を付加し、電源投入時に所定の繰
り返し周期期間だけ当該比較データを強制的に0にする
ようにした。このような比較データの初期化により、電
源投入時における入力信号の位相補正動作を効率的にで
き、電源投入から適正な乱数が得られる迄の過渡期間を
最小にすることができる。
【0035】以上説明した実施形態では、乱数発生用の
フリップ・フロップとして、Dタイプフリップ・フロッ
プを用いたが、本発明はこれにのみ限定されるものでは
なく、これと同等の機能を有するフリップ・フロップで
あれば使用可能である。例えば、他の例として、R−S
フリップ・フロップを使用した構成を図10に示す。図
10によれば、遅延回路17と18の接続点がR−Sフ
リップ・フロップ1のセット入力に、また選択回路19
の出力がR−Sフリップ・フロップ1のリセット入力に
接続される。
【0036】また、図11に示すように、既述したシリ
アル型の乱数発生装置10をP個並列に配置することに
より、Pbit 構成の並列型乱数発生装置20を構成する
ことができる。この並列型乱数発生装置20では、個々
の乱数発生装置10間の相互関係は一切存在しない。
【0037】次に本発明の乱数発生装置を用いて構成し
た確率発生装置について説明する。図12にP(bit) で
構成された確率発生装置の確率分布を示す。前記並列型
乱数発生装置は各乱数発生装置毎に0と1の出現率が、
例えば50%に常時補正されている。各々乱数発生装置
10は一様性を有し、規則性、相関性、周期性を有さな
いから、全体の確率分布は一様である。ここで、この乱
数発生装置における一様な出力データの全体に対し、図
12の斜線で示すような任意の範囲データ(r1、r
2)を設定することにより、次式にて確率を生成するこ
とができる。 P0=(r2−r1+1)/2P 従って、範囲データ(r1〜r2)を適宜設定すること
により任意の確率が得られる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
優れた一様性を有し、且つ規則性、相関性、周期性を有
しない自然乱数発生装置および確率発生装置をデジタル
回路で実現することができる。デジタル回路構成であれ
ばLSI化への対応が容易で生産性に優れ、科学技術計
算、ゲーム機、暗号化処理等、広い分野の用途に対し大
量の乱数および確率データを高速に、且つ、安価に供給
することができるようになる。
【0039】また、外部ノイズ、温度、電源変動等の外
部要因による影響も少ないため安定した動作が得られ
る。更に、環境に対する安全性に優れ、使い捨て等によ
る廃棄処分に対する問題も無い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る乱数発生装置の第1の実施形態を
示す回路図である。
【図2】同、乱数発生装置の第2の実施形態を示す回路
図である。
【図3】同、乱数発生装置の第3の実施形態を示す回路
図である。
【図4】同、乱数発生装置の第4の実施形態を示す回路
図である。
【図5】同、乱数発生装置の第5の実施形態を示す回路
図である。
【図6】波形整形回路を付加した本発明に係る乱数発生
装置の要部回路図である。
【図7】具体的な波形整形回路を示す図である。
【図8】図7の波形整形回路の入出力波形を示す図であ
る。
【図9】初期制御回路を付加した本発明に係る乱数発生
装置の要部回路図である。
【図10】R−Sフリップ・フロップを用いた本発明に
係る乱数発生装置の要部回路図である。
【図11】本発明に係る並列型乱数発生装置のブロック
構成図である。
【図12】本発明に係る確率発生装置の確率分布を示す
図である。
【図13】Dタイプフリップ・フロップを示す図であ
る。
【図14】図11のDタイプフリップ・フロップの入出
力波形を示す図である。
【符号の説明】
1 フリップ・フロップ(Dタイプ/R−Sフリップ
・フロップ) 2 遅延部 3 フィードバック回路 4,5 補助乱数発生器 10 乱数発生装置 11 第1のカウンター 12 第2のカウンター 13 可逆カウンター 14 レジスター 15 比較器 16 定数設定器 17,18 遅延回路(ディレーライン) 19 選択回路(セレクター) 20 並列型乱数発生装置 25 波形整形回路 26 初期制御回路

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二つの入力部に入力される信号の位相差
    に応じて出力の状態(0または1)が確定するフリップ
    ・フロップと、 これら二つの入力信号に位相差を生じさせる遅延部と、 前記入力信号によるフリップ・フロップ出力の0または
    1の出現率が所定の繰り返し周期内で一定になるように
    前記位相差を制御するフィードバック回路とで構成され
    ることを特徴とする乱数発生装置。
  2. 【請求項2】 前記遅延部は、 前記入力信号を数段階に遅延し出力する遅延回路と、セ
    レクト入力に応じて遅延出力の何れかを選択する選択回
    路とで構成されることを特徴とする請求項1に記載の乱
    数発生装置。
  3. 【請求項3】 前記フィードバック回路は、 前記入力信号の所定の繰り返し周期を計測する第1のカ
    ウンターと、 繰り返し周期毎に前記フリップ・フロップ出力の0また
    は1の出現数を計測する第2のカウンターと、 当該第2のカウンターの計測出力を繰り返し周期毎に保
    持するレジスターと、 前記フリップ・フロップ出力の0または1の出現率を設
    定するための比較データを発生する定数設定器と、 前記レジスターの出力データと前記比較データの大小を
    比較する比較器と、 当該比較器の比較出力に基づいて前記選択回路のセレク
    ト信号を発生する可逆カウンターとで構成されることを
    特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の乱
    数発生装置。
  4. 【請求項4】 前記第1のカウンターに設定する繰り返
    し周期の設定データと前記比較器の比較データとして、
    前記フリップ・フロップより出力される乱数を、または
    当該乱数をスクランブルして構成した乱数を用いること
    を特徴とする請求項3に記載の乱数発生装置。
  5. 【請求項5】 請求項3に記載の乱数発生装置と同じ構
    成の補助乱数発生器を備え、前記第1のカウンターに設
    定する繰り返し周期の設定データと前記比較器の比較デ
    ータとして、前記補助乱数発生器による乱数を用いるこ
    とを特徴とする請求項3に記載の乱数発生装置。
  6. 【請求項6】 請求項3に記載の乱数発生装置と同じ構
    成の補助乱数発生器を備え、前記第1のカウンターに設
    定する繰り返し周期の設定データと前記比較器の比較デ
    ータとして、前記補助乱数発生器による乱数と前記乱数
    発生装置による乱数をスクランブルして構成した乱数を
    用いることを特徴とする請求項3に記載の乱数発生装
    置。
  7. 【請求項7】 前記フリップ・フロップの入力信号ライ
    ンに波形整形回路を付加して成ることを特徴とする請求
    項1から請求項6までの何れかに記載の乱数発生装置。
  8. 【請求項8】 前記比較器の比較データを電源投入時に
    所定期間0に設定する初期制御回路を備えて成ることを
    特徴とする請求項3から請求項7までの何れかに記載の
    乱数発生装置。
  9. 【請求項9】 前記フリップ・フロップとしてDタイプ
    フリップ・フロップ、もしくはR−Sフリップ・フロッ
    プを用いることを特徴とする請求項1から請求項8まで
    の何れかに記載の乱数発生装置。
  10. 【請求項10】 請求項1から請求項9までの何れかに
    記載の乱数発生装置を複数並列に配置して構成したこと
    を特徴とする乱数発生装置。
  11. 【請求項11】 請求項1から請求項10までの何れか
    に記載の乱数発生装置を備えて成ることを特徴とする確
    率発生装置。
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