JP2003108363A - Random number generation circuit - Google Patents

Random number generation circuit

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JP2003108363A
JP2003108363A JP2001294835A JP2001294835A JP2003108363A JP 2003108363 A JP2003108363 A JP 2003108363A JP 2001294835 A JP2001294835 A JP 2001294835A JP 2001294835 A JP2001294835 A JP 2001294835A JP 2003108363 A JP2003108363 A JP 2003108363A
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建 内田
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淳二 古賀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a random number generation circuit that generates random numbers of high genuineness and permits to convert it into a small integrated circuit. SOLUTION: In an astable vibrator (10A), such an element is introduced that circuit element characteristic determining the vibration period thereof tends to fluctuate temporally based on a physical phenomenon, and the vibration period of the vibrator is made to fluctuate temporally and irregularly. By reading the vibrator signal fluctuating irregularly with a counter on a fixed clock, it becomes possible to acquire a random digital signal train of 0 and 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、乱数生成回路に関
し、特に、デジタル論理回路によりコンパクトに構成す
ることが可能でしかも真性度が高い乱数を発生し、暗号
アルゴリズムに用いても好適な乱数生成回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a random number generation circuit, and more particularly, it generates a random number which can be compactly constructed by a digital logic circuit and has a high degree of authenticity, and is suitable for use in a cryptographic algorithm. Regarding the circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】デジタル乱数は、確率過程を伴う現象の
シミュレーションや、セキュリティーに用いる暗号アル
ゴリズムでの暗号鍵の生成などに用いられる。従来、デ
ジタル乱数としては、CPUで計算によって作られる
「擬似乱数」が用いられてきた。この疑似乱数は、典型
的には、「フィードバックシフトレジスタ」と呼ばれる
論理回路で作られる。
2. Description of the Related Art Digital random numbers are used for simulation of phenomena involving stochastic processes, generation of cryptographic keys in cryptographic algorithms used for security, and the like. Conventionally, as the digital random number, a "pseudo-random number" created by a CPU has been used. This pseudo random number is typically made by a logic circuit called a “feedback shift register”.

【0003】これに対して、抵抗やダイオードに発生す
る雑音を使って乱数を作り出す方式も実用化されてい
る。この場合、乱数に偏りや周期性などは見られなくな
り、「真性乱数」に近いものが得られる。このタイプの
乱数生成回路においては、雑音源の素子に一定電流を流
して発生する雑音をハイパスフィルター回路に通して、
AC成分を取り出し、それをアナログ回路で増幅したの
ち、AD変換してデジタル化する。このとき、ある値を
閾値として、それを越えるものを「1」、それ以下のも
のを「0」というようにする。さらに、出てきた乱数列
は偏りが出るため、それをデジタル回路で補正してから
用いる場合が多い。
On the other hand, a method of generating random numbers using noise generated in resistors and diodes has been put into practical use. In this case, bias and periodicity are not seen in the random numbers, and the ones close to the “true random numbers” can be obtained. In this type of random number generator, noise generated by passing a constant current through the noise source element is passed through a high-pass filter circuit,
The AC component is taken out, amplified by an analog circuit, then AD-converted and digitized. At this time, a certain value is set as a threshold value, a value exceeding the threshold value is set to “1”, and a value below the threshold value is set to “0”. Further, since the random number sequence that appears is biased, it is often used after being corrected by a digital circuit.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】CPUで作る擬似乱数
は、初めに与えた数字(種)が同じであれば、同じ乱数
を発生させてしまうことや、レジスタの個数に基づく周
期性をもってしまうため、乱数としては適当でないこと
が知られている。特に、セキュリティーに用いる場合に
は、「暗号鍵」を破られる危険性を産む原因となる。
A pseudo random number generated by a CPU generates the same random number if it has the same number (seed) at the beginning, and has periodicity based on the number of registers. It is known that it is not suitable as a random number. Especially, when it is used for security, it causes a risk of breaking the "encryption key".

【0005】一方、雑音を増幅するタイプだと、一般的
に抵抗やダイオードの熱雑音やショット雑音はアナログ
信号であり、また出力が小さいために、アナログ増幅回
路の構成が大規模となり、集積化、小型化が困難であ
る。特に、暗号セキュリティー機能を搭載したICカー
ド等の小型機器に組み込むことは困難である。
On the other hand, in the case of a type that amplifies noise, thermal noise and shot noise of resistors and diodes are generally analog signals, and since the output is small, the configuration of the analog amplifier circuit becomes large and integrated. , It is difficult to miniaturize. In particular, it is difficult to incorporate it in a small device such as an IC card equipped with a cryptographic security function.

【0006】つまり、周期性を持たない質の高い乱数を
発生させ、かつ小型の集積回路が必要とされつつある。
That is, there is a demand for a small integrated circuit which generates high-quality random numbers having no periodicity.

【0007】小型化のためには、TTLやCMOS等の
デジタル回路で構成することが望ましい。しかし、デジ
タル回路は、基本的にある入力に対して同一の出力を与
えるので、アルゴリズム的な処理で乱数を作ることしか
できない。このため、フィードバックシフトレジスタと
同様に疑似乱数しか作り出せない。
In order to reduce the size, it is desirable to use a digital circuit such as TTL or CMOS. However, since a digital circuit basically gives the same output to a certain input, it can only generate random numbers by algorithmic processing. Therefore, like the feedback shift register, only pseudo random numbers can be generated.

【0008】この矛盾を解決するためには、デジタル回
路で、出力が不確定になる回路を作る必要がある。
In order to solve this contradiction, it is necessary to make a circuit whose output is uncertain by using a digital circuit.

【0009】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、真性度の高
い乱数を発生させ、かつ小型の集積回路化が可能な乱数
生成回路を提供することにある。
The present invention has been made based on the recognition of such problems. That is, it is an object of the present invention to provide a random number generation circuit which can generate a highly random number and can be made into a small integrated circuit.

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の乱数生成回路は、不確定なデジタル信号列
を生成する不確定出力回路を備え、前記不確定出力回路
は、「0」レベルと「1」レベルとを交互に出力し、前
記「0」レベルと前記「1」レベルをそれぞれ保持する
時間を決定する回路要素のうちの少なくともいずれかの
特性が時間とともに変動することにより、前記「0」レ
ベルと前記「1」レベルを保持する時間のいずれかが変
動するマルチバイブレータを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a random number generation circuit of the present invention comprises an uncertain output circuit for generating an uncertain digital signal sequence, and the uncertain output circuit is "0". The level and the “1” level are alternately output, and the characteristics of at least one of the circuit elements that determine the time for holding the “0” level and the “1” level are changed with time, It is characterized by having a multivibrator in which any one of the time for holding the "0" level and the "1" level varies.

【0010】上記構成によれば、マルチバイブレータを
構成する素子の特性の変動に応じた不確定な信号列が得
られ、乱数生成回路を少ない論理ゲート数で構成できる
ので、小規模な回路で済む。
According to the above configuration, an uncertain signal sequence can be obtained according to variations in the characteristics of the elements constituting the multivibrator, and the random number generation circuit can be constructed with a small number of logic gates, so a small scale circuit is sufficient. .

【0011】ここで、前記不確定出力回路は、前記マル
チバイブレータから出力される前記「0」レベルと前記
「1」レベルとの信号列を一定の周期で読み取るカウン
タをさらに有するものとすれば、マルチバイブレータか
らの信号列から不確定なデジタル信号列を得るとができ
る。
Here, if the uncertain output circuit further includes a counter for reading the signal train of the "0" level and the "1" level output from the multivibrator at a constant cycle, An uncertain digital signal train can be obtained from the signal train from the multivibrator.

【0012】また、前記カウンタが読み取る前記一定の
周期は、前記マルチバイブレータから出力される前記
「0」レベルと前記「1」レベルとの信号列における平
均的な遷移の周期よりも十分に長いものとすれば、マル
チバイブレータから出力される信号列の周期性の影響を
排除することができる。
Further, the constant period read by the counter is sufficiently longer than the average transition period in the signal train of the "0" level and the "1" level output from the multivibrator. Then, the influence of the periodicity of the signal sequence output from the multivibrator can be eliminated.

【0013】また、前記変動する前記回路要素の特性
は、MOSトランジスタのチャネル抵抗であるものとす
れば、ゲート絶縁膜にトラップを形成することにより、
マルチバイブレータからの出力を不確定なものとするこ
とができる。
Further, assuming that the varying characteristic of the circuit element is the channel resistance of the MOS transistor, by forming a trap in the gate insulating film,
The output from the multivibrator can be indeterminate.

【0014】また、前記不確定出力回路から出力される
前記不確定なデジタル信号列における「0」と「1」の
出現頻度をカウントするカウント回路と、前記カウント
回路によりカウントした前記出現頻度に基づいたフィー
ドバック信号を前記マルチバイブレータの前記回路要素
に与えるフィードバック回路と、をさらに備えたものと
すれば、不確定出力回路からのデジタル出力列における
「偏り」を抑制することができる。
Further, based on the appearance frequency counted by the counting circuit, a counting circuit for counting the appearance frequencies of "0" and "1" in the indeterminate digital signal sequence outputted from the indeterminate output circuit. By further providing a feedback circuit for giving a feedback signal to the circuit element of the multivibrator, it is possible to suppress "bias" in the digital output train from the uncertain output circuit.

【0015】また、前記不確定出力回路から出力された
前記不確定なデジタル信号列に含まれる複数のデジタル
信号の排他的論理和を演算しその演算結果を乱数として
出力する論理演算回路をさらに備えたものとすれば、
「偏り」のない乱数が得られる。
Further, there is further provided a logical operation circuit for calculating an exclusive OR of a plurality of digital signals included in the uncertain digital signal sequence outputted from the uncertain output circuit and outputting the operation result as a random number. Assuming that
A random number without "bias" can be obtained.

【0016】または、「0」と「1」との出現頻度が
1:1であるデジタル信号列と、前記不確定出力回路か
ら出力される前記不確定なデジタル信号列と、の排他的
論理和を演算しその演算結果をデジタル乱数列として出
力する論理演算回路をさらに備えたものとすれば、「偏
り」のない乱数列が得られる。
Alternatively, the exclusive OR of the digital signal train in which the appearance frequency of "0" and "1" is 1: 1 and the uncertain digital signal train output from the uncertain output circuit. If a logical operation circuit that calculates and outputs the operation result as a digital random number sequence is further provided, a random number sequence without “bias” can be obtained.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0018】図1は、本発明の乱数生成回路の要部構成
を表すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the essential structure of the random number generation circuit of the present invention.

【0019】すなわち、本発明の乱数生成回路は、不確
定出力回路10と、その出力を受ける一様化回路20と
を備える。
That is, the random number generation circuit of the present invention comprises the uncertain output circuit 10 and the equalization circuit 20 which receives the output thereof.

【0020】不確定出力回路10は、デジタル回路で構
成した無安定マルチバイブレータ10Aとカウンタ10
Bとを有する。無安定マルチバイブレータ10Aは、そ
の振動周期を決定する抵抗の抵抗値あるいはコンデンサ
の容量が、物理現象に基づいて時間的に揺らぎやすいよ
うな素子が導入されており、マルチバイブレータの振動
周期が時間的に不規則に変動するようにされている。
The uncertain output circuit 10 includes an astable multivibrator 10A composed of a digital circuit and a counter 10.
B and. The astable multivibrator 10A is provided with an element in which the resistance value of the resistor or the capacitance of the capacitor that determines the vibration cycle easily fluctuates with time based on a physical phenomenon, and the vibration cycle of the multivibrator is temporal. It is supposed to fluctuate irregularly.

【0021】そして、このように不規則に揺らいでいる
バイブレータ信号をカウンタ10Bが一定のクロックで
読み出すことにより、「0」と「1」のランダムなデジ
タル信号列を得ることができる。
Then, the counter 10B reads out the vibrator signal thus fluctuating irregularly at a constant clock, whereby a random digital signal sequence of "0" and "1" can be obtained.

【0022】この方法で得られた「0」と「1」とのデ
ジタル信号列の配列は、マルチバイブレータを構成する
素子の特性に依存しているので、「0」と「1」の出現
頻度に「偏り」が生ずる場合がある。
Since the arrangement of the digital signal sequences of "0" and "1" obtained by this method depends on the characteristics of the elements constituting the multivibrator, the frequency of appearance of "0" and "1". "Bias" may occur in.

【0023】そこで、このような場合には、一様化回路
20において、それらを再度デジタル処理して、偏りを
無くして真性度の高いデジタル乱数を得る。
Therefore, in such a case, the homogenization circuit 20 digitally processes them again to eliminate the bias and obtain a digital random number having a high degree of authenticity.

【0024】このようにすれば、乱数生成回路を少ない
論理ゲート数で構成できるので、小規模な回路で済む。
「0」と「1」の頻度を補正する回路も、比較的小規模
な論理回路で構成可能である。
In this way, the random number generation circuit can be constructed with a small number of logic gates, so that a small-scale circuit is sufficient.
The circuit for correcting the frequency of "0" and "1" can also be configured by a relatively small-scale logic circuit.

【0025】また、本発明においては、一様化回路20
は必須ではなく、不確定出力回路10から出力されるデ
ジタル乱数列が十分に一様であるような場合には、一様
化回路20を設ける必要はない。
Further, in the present invention, the equalizing circuit 20
Is not essential, and if the digital random number sequence output from the uncertain output circuit 10 is sufficiently uniform, it is not necessary to provide the uniformizing circuit 20.

【0026】以下、本発明の不確定出力回路10におい
て用いる無安定マルチバイブレータについて説明する。
The astable multivibrator used in the uncertain output circuit 10 of the present invention will be described below.

【0027】図2は、通常「無安定マルチバイブレー
タ」と呼ばれるデジタル回路を表す模式図である。この
無安定マルチバイブレータは、フリップフロップ型に接
続された2つのNAND回路11、12に、抵抗R1、
R2とコンデンサC1、C2とがそれぞれ接続された構
成を有する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a digital circuit which is usually called an "astable multivibrator". This astable multivibrator has two NAND circuits 11 and 12 connected in a flip-flop type, a resistor R1,
It has a configuration in which R2 and capacitors C1 and C2 are connected to each other.

【0028】このマルチバイブレータは、B側のコント
ロール入力をONすると、動作が開始する。すなわち、
始めにB側のコントロール入力が「0」である(すなわ
ち、コンデンサC2が空)とすると、NAND回路12
の出力が「1」になり、A側にあるコンデンサC1を充
電し始める。あるところまで充電が進むと、A側の入力
が「0」となるので、A側のNAND回路11の出力は
「1」となり、今度はB側のコンデンサC2を充電し始
める。これが交互に繰り返されるので、A側のNAND
回路11の出力は、「1」と「0」とを交互に繰り返し
たものとなる。
This multivibrator starts its operation when the control input on the B side is turned on. That is,
First, assuming that the control input on the B side is "0" (that is, the capacitor C2 is empty), the NAND circuit 12
Output becomes "1" and the capacitor C1 on the A side starts charging. When charging proceeds to a certain point, the input on the A side becomes "0", so the output of the NAND circuit 11 on the A side becomes "1", and this time starts charging the capacitor C2 on the B side. Since this is repeated alternately, the NAND on the A side
The output of the circuit 11 is an alternating repetition of "1" and "0".

【0029】この繰り返しの周期は、コンデンサC1、
C2の充電時間で決まり、コンデンサの容量と抵抗R
1、R2の大きさの積、すなわち(C×R)に比例す
る。
The cycle of this repetition is as follows:
Determined by the charging time of C2, the capacity of the capacitor and the resistance R
It is proportional to the product of the size of 1 and R2, that is, (C × R).

【0030】図2に表したマルチバイブレータの場合、
繰り返しの周期は およそ0.7(C1R1+C2R
2) となる。
In the case of the multivibrator shown in FIG. 2,
The repetition cycle is about 0.7 (C1R1 + C2R
2)

【0031】本発明においては、この繰り返し周期が変
動するように独特の素子を配置する。
In the present invention, the unique elements are arranged so that the repetition cycle varies.

【0032】図3は、本発明の乱数発生回路において用
いるマルチバイブレータの要部構造を例示する模式図で
ある。
FIG. 3 is a schematic view illustrating the structure of the main part of the multivibrator used in the random number generation circuit of the present invention.

【0033】すなわち、同図に表した無安定マルチバイ
ブレータは、抵抗R1、R2の少なくともいずれかを、
チャネル抵抗が時間的な揺らぎを持つ特殊なMOSトラ
ンジスタ14に置換た構造を有する。
That is, the astable multivibrator shown in the figure has at least one of the resistors R1 and R2,
It has a structure in which the channel resistance is replaced with a special MOS transistor 14 having temporal fluctuation.

【0034】図4は、MOSトランジスタ14の要部構
造を例示する概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the structure of the main part of the MOS transistor 14.

【0035】このMOSトランジスタのゲート絶縁膜1
4Gには、複数の電子トラップTが形成されている。チ
ャネル14C中を通過する電子は、絶縁膜14Gをトン
ネルして頻繁にトラップTに捕獲され、また捕獲されて
いる電子がチャネル14Cにトンネルできるように、素
子パラメータが調節されている。
Gate insulating film 1 of this MOS transistor
A plurality of electron traps T are formed in 4G. Electrons passing through the channel 14C tunnel through the insulating film 14G and are frequently trapped by the trap T, and the device parameters are adjusted so that the trapped electrons can tunnel to the channel 14C.

【0036】電子トラップTは、例えば、シリコン酸化
膜の絶縁膜中にシリコンのナノクリスタルを分散させた
り、電子トラップの多いSiON(窒化酸化シリコ
ン)を絶縁膜14Gとして用いたりすることで形成する
ことができる。
The electron trap T is formed by, for example, dispersing silicon nanocrystals in an insulating film of a silicon oxide film, or using SiON x (silicon oxynitride) having many electron traps as the insulating film 14G. be able to.

【0037】または、絶縁膜14Gの形成の途中で中断
し、異なるガス雰囲気などに晒すことにより、欠陥や不
純物を導入することによっても、電子トラップTを絶縁
膜14Gの中に形成することが可能である。
Alternatively, the electron trap T can be formed in the insulating film 14G by interrupting the process of forming the insulating film 14G and exposing it to a different gas atmosphere to introduce defects and impurities. Is.

【0038】トラップTに電子がトラップされると、ク
ーロン相互作用によって、絶縁膜14Gとの界面付近の
チャネル14Cを移動する電子が散乱を受け、チャネル
抵抗が上昇する。
When the electrons are trapped in the trap T, Coulomb interaction scatters the electrons moving in the channel 14C near the interface with the insulating film 14G to increase the channel resistance.

【0039】従って、このMOSトランジスタ14の設
計にあたっては、チャネル14Cを薄く絞ることによ
り、電子トラップTへの電子の捕獲と脱離によって、M
OSトランジスタのチャネル抵抗が、その平均値に対し
て数十%程度揺らぐように、初期ゲート電圧を調整して
おくことが望ましい。また、ゲート幅(チャネル幅)が
狭いほど、チャネル抵抗の変動率が大きくなるので、ゲ
ート幅の狭いMOSFETが望ましい。
Therefore, in designing the MOS transistor 14, the channel 14C is narrowed down to capture and desorb electrons from the electron trap T, and
It is desirable to adjust the initial gate voltage so that the channel resistance of the OS transistor fluctuates by several tens of percent with respect to its average value. Further, the narrower the gate width (channel width) is, the larger the fluctuation rate of the channel resistance becomes, and therefore a MOSFET having a narrow gate width is desirable.

【0040】マルチバイブレータの周期は、コンデンサ
C1、C2の容量とMOSトランジスタ14のチャネル
抵抗で(より厳密には、トランジスタ14の寄生容量も
影響する)決まるので、トランジスタのチャネル抵抗が
数十%揺らぐと、マルチバイブレータの周期も数十%揺
らぐ。
Since the cycle of the multivibrator is determined by the capacitances of the capacitors C1 and C2 and the channel resistance of the MOS transistor 14 (more strictly, the parasitic capacitance of the transistor 14 also affects), the channel resistance of the transistor fluctuates by several tens of percent. Also, the cycle of the multivibrator fluctuates by several tens of percent.

【0041】図5は、トランジスタのチャネル抵抗が時
間的に揺らいでいる状態を表す模式図である。この「揺
らぎ」の頻度あるいはピッチは、当然のことながら一定
ではなく、またその振幅も一定ではない。「揺らぎ」の
発生頻度は、トラップTへの電子の捕獲頻度と、トラッ
プTにおける電子の滞在時間に依存する。従って、「揺
らぎ」の発生頻度が最適な範囲となるように、トラップ
Tの種類やその形成条件を調節することができる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which the channel resistance of the transistor fluctuates with time. The frequency or pitch of this "fluctuation" is naturally not constant, and its amplitude is not constant either. The frequency of occurrence of “fluctuation” depends on the frequency of trapping electrons in the trap T and the staying time of electrons in the trap T. Therefore, the type of trap T and its forming condition can be adjusted so that the frequency of occurrence of “fluctuation” is in the optimum range.

【0042】MOSFET以外にも、フォトトランジス
タやフォトダイオードを使うことも出来る。図11にP
IN型フォトダイオードを使う例を示す。フォトダイオ
ード21は微弱な光を感知して、光電流に変換する素子
である。その原理に基づき、光があたるとその光量によ
って抵抗が著しく変化する。そこで、フォトダイオード
の近くに小型のLED型の発光素子22を設置してお
き、マルチバイブレータ回路を動かすための制御電圧で
発光素子が動作するようにしておく。発光素子の光量
は、ノイズなどにより変動するので、その変動に応答し
てフォトダイオードは抵抗成分を変化させるので、マル
チバイブレータの周期もそれにつれて変動する。発光素
子22の光量は微弱で良いので、サブμmサイズのゲー
トを有するMOSFETのドレインに高電界を加えてホ
ットエレクトロンを生じさせ、それが緩和する過程での
発光を使っても良い。
Besides the MOSFET, a phototransistor or a photodiode can be used. P in FIG.
An example of using an IN photodiode will be shown. The photodiode 21 is an element that senses feeble light and converts it into photocurrent. Based on that principle, when light is applied, the resistance changes significantly depending on the amount of light. Therefore, a small LED type light emitting element 22 is installed near the photodiode so that the light emitting element operates with a control voltage for operating the multivibrator circuit. Since the light quantity of the light emitting element fluctuates due to noise or the like, the photodiode changes the resistance component in response to the fluctuation, so that the cycle of the multivibrator also changes accordingly. Since the light amount of the light emitting element 22 may be weak, a high electric field may be applied to the drain of a MOSFET having a sub-μm-sized gate to generate hot electrons, and light emission may be used in the process of relaxation.

【0043】さて、本発明においては、このように「揺
らぎ」が生ずるトランジスタ14を設けることにより、
無安定マルチバイブレータの動作を不安定化させる。
In the present invention, by providing the transistor 14 in which "fluctuation" occurs in this way,
Destabilizes the operation of the astable multivibrator.

【0044】図6は、本発明における無安定マルチバイ
ブレータから得られる出力信号を例示する概念図であ
る。このように一定周期でないデジタル信号の変化を、
この変化の周期よりも十分長い周期のカウンタ10Bで
読み取ると、その値は1ビットの乱数列となる。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an output signal obtained from the astable multivibrator according to the present invention. In this way, changes in digital signals that are not in a constant cycle
When read by the counter 10B having a cycle sufficiently longer than the cycle of this change, the value becomes a 1-bit random number sequence.

【0045】ここで、カウンタ10Bの読み取り周期を
マルチバイブレータ10Aの出力信号の変化の周期より
も十分に長くするのは、得られる乱数列に周期性が生ず
るのを防ぐためである。周期性を十分に低下させるため
には、マルチバイブレータ10Aの出力信号の変化の周
期に対して、カウンタ10Bの読み取りの周期を10倍あ
るいはそれ以上とすることが望ましい。
Here, the reason why the reading cycle of the counter 10B is made sufficiently longer than the cycle of change of the output signal of the multivibrator 10A is to prevent the obtained random number sequence from having periodicity. In order to sufficiently reduce the periodicity, it is desirable that the reading cycle of the counter 10B be 10 times or more than the changing cycle of the output signal of the multivibrator 10A.

【0046】このようにして得られたデジタル乱数列が
十分に一様であるような場合には、これをそのまま、乱
数列して利用することができる。
If the digital random number sequence thus obtained is sufficiently uniform, it can be used as it is as a random number sequence.

【0047】一方、このようにして得られた乱数列の
「0」と「1」の出現確率に「偏り」が見られる場合に
は、一様化回路20において、「偏り」を補正する。
On the other hand, when the occurrence probability of “0” and “1” in the random number sequence thus obtained is “biased”, the homogenization circuit 20 corrects the “bias”.

【0048】そこで、次に、一様化回路20について説
明する。
Therefore, the equalizing circuit 20 will be described next.

【0049】図7は、本実施例における一様化回路の動
作を説明するための概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the operation of the equalizing circuit in this embodiment.

【0050】同図に表したように、不確定出力回路10
の出力を時系列的に、Qn、…Qn+kとして、これら
のk+1個のデータにXOR(排他的論理和)の論理演
算を施す。その結果をTとする。不確定出力回路1の出
力において、「1」の出現確率をp、「0」の出現確率
を1−pとすると、Tが1となる確率は、0.5+0.
5・(1−2p)k+1となる。kが大きくなるほど、
確率が0.5に近づき、偏りが補正される。
As shown in the figure, the uncertain output circuit 10
, Qn + k, and XOR (exclusive OR) logical operation is performed on these k + 1 pieces of data. Let T be the result. In the output of the uncertain output circuit 1, if the appearance probability of "1" is p and the appearance probability of "0" is 1-p, the probability that T becomes 1 is 0.5 + 0.
5 · (1-2p) k + 1 . The larger k becomes,
The probability approaches 0.5 and the bias is corrected.

【0051】前述した第1実施例において実際に試作し
たSR−FFでは、「偏り」が大きくほぼp=0.1で
あった。k=10の場合、Tが1となる確率は0.54
3となり、K=20の場合、0.505、K=30の場
合、0.5005と0.5に近づき、ほとんど「偏り」
がなくなる。
In the SR-FF actually prototyped in the above-mentioned first embodiment, the "bias" was large and was approximately p = 0.1. When k = 10, the probability that T becomes 1 is 0.54.
3, it becomes 0.505 when K = 20 and approaches 0.5005 and 0.5 when K = 30, and is almost “biased”
Disappears.

【0052】kが大きくなると、乱数の生成速度が遅く
なってしまうが、例えば電源をON、OFFする周期を
30MHzにすると、k=30としても約1Mbit/
秒の速度でデジタル乱数列を生成することができるの
で、実用上は問題とならない場合が多い。
When k becomes large, the random number generation speed becomes slow. However, if the power ON / OFF cycle is set to 30 MHz, for example, even if k = 30, about 1 Mbit /
Since it is possible to generate a digital random number sequence at a speed of seconds, there are many cases where this does not pose a problem in practical use.

【0053】また、このようにして得られた乱数列デー
タをフィードバックシフトレジスタのシード(種)に使
っても良い。
The random number sequence data thus obtained may be used as a seed of the feedback shift register.

【0054】また、以下に説明するような方法を用いれ
ば、簡便に「0」と「1」の出現確率を均等にすること
ができる。
Further, by using the method described below, the appearance probabilities of "0" and "1" can be easily equalized.

【0055】すなわち、デジタル信号Pが「1」になる
確率をp、デジタル信号Qが「1」になる確率をqとす
ると、PとQとの排他的論理和(XOR)の演算値Tが
「1」となる確率と、「0」となる確率の差は、次式に
より表される。 4(0.5−p)(0.5−q)・・・(1) 従って、「Pが「1」になる確率が0.5」であれば、
Qが「1」になる確率が1/2でなくても、PとQとの
排他的論理和の演算値Tの「0」と「1」の出現確率は
等しくなる。
That is, if the probability that the digital signal P is "1" is p and the probability that the digital signal Q is "1" is q, the calculated value T of the exclusive OR (XOR) of P and Q is The difference between the probability of being “1” and the probability of being “0” is represented by the following equation. 4 (0.5-p) (0.5-q) ... (1) Therefore, if "the probability that P becomes" 1 "is 0.5",
Even if the probability that Q becomes "1" is not 1/2, the appearance probabilities of "0" and "1" of the arithmetic value T of the exclusive OR of P and Q become equal.

【0056】ここで、図10に表したように、カウンタ
10Bへの入力信号を分岐してT型のフリップフロツプ
20Bに入れると、周期が2倍の信号になり、これは不
確定出力回路10の出力と同じタイミングで「0」と
「1」とが交互に並ぶ信号となる。この信号は、当然に
「0」と「1」の出現率が等しい。従って、この信号と
不確定出力回路10の信号との排他的論理和をとると、
その演算出力Tにおいては当然に「0」と「1」の出現
確率が等しく、真性度の高いデジタル乱数列として用い
ることができる。
Here, as shown in FIG. 10, when the input signal to the counter 10B is branched and put into the T-type flip-flop 20B, the period becomes a doubled signal, which is a signal of the uncertain output circuit 10. A signal in which "0" and "1" are alternately arranged at the same timing as the output. This signal naturally has the same appearance rate of "0" and "1". Therefore, when the exclusive OR of this signal and the signal of the uncertain output circuit 10 is taken,
In the calculation output T, the occurrence probabilities of “0” and “1” are naturally equal, and the arithmetic output T can be used as a digital random number sequence having high authenticity.

【0057】また、図11に表したように、フィードバ
ックシフトレジスタ(FSR)20Cにより、カウンタ
10Bと同じクロックで作った擬似乱数Rは、「0」と
「1」とを均等に出力するので、これと不確定出力回路
10の出力との排他的論理和をとると、その演算値Tは
「0」と「1」の出現率が等しく、真性度の高いデジタ
ル乱数列として用いることができる。
Further, as shown in FIG. 11, the pseudo-random number R generated by the feedback shift register (FSR) 20C at the same clock as the counter 10B outputs "0" and "1" evenly. If the exclusive OR of this and the output of the uncertain output circuit 10 is taken, the calculated value T can be used as a digital random number sequence having high occurrence rates of "0" and "1" being equal.

【0058】一方、本発明においては、不確定出力回路
10の出力をモニタしフィードバックをかけることによ
っても「偏り」を補正することができる。
On the other hand, in the present invention, the "bias" can also be corrected by monitoring the output of the uncertain output circuit 10 and applying feedback.

【0059】図10は、このような乱数生成回路の要部
構成を表す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of such a random number generation circuit.

【0060】本具体例においては、無安定マルチバイブ
レータのトランジスタ14のゲート14Gに、一様化回
路20がフィードバックを加える。このようなフィード
バックにより、不確定フリップフロップの「0」と
「1」の出現確率を均等に近くすることができる。
In this example, the homogenizing circuit 20 adds feedback to the gate 14G of the transistor 14 of the astable multivibrator. By such feedback, the appearance probabilities of “0” and “1” of the uncertain flip-flop can be made close to even.

【0061】すなわち、同図において、不確定出力回路
10の出力をデジタルカウンタ20Dでカウントしてお
き、「0」と「1」のカウントの差分に応じて、フィー
ドバック回路20Eが所定のゲート電圧をマルチバイブ
レータのMOSトランジスタのゲート14Gに印加す
る。
That is, in the figure, the output of the uncertain output circuit 10 is counted by the digital counter 20D, and the feedback circuit 20E outputs a predetermined gate voltage according to the difference between the counts of "0" and "1". It is applied to the gate 14G of the MOS transistor of the multivibrator.

【0062】すると、MOSトランジスタ14のチャネ
ル抵抗の相対的な揺らぎの大きさが調節され、「偏り」
を修正することが可能である。
Then, the magnitude of the relative fluctuation of the channel resistance of the MOS transistor 14 is adjusted, and "bias" occurs.
Can be modified.

【0063】この場合にも、図7乃至図9に関して前述
したように、「偏り」をなくす論理回路を組み合わせる
と、乱数の「偏り」をさらに小さくできる。この場合、
前述したXORをとるデータkの数が少なくて済むの
で、乱数の生成速度を上げることができる。
Also in this case, as described above with reference to FIGS. 7 to 9, by combining the logic circuits for eliminating the “bias”, the “bias” of the random numbers can be further reduced. in this case,
Since the number of data k for which the above-mentioned XOR is taken is small, the random number generation speed can be increased.

【0064】以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各
具体例に限定されるものではない。
The embodiments of the present invention have been described with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples.

【0065】例えば、本発明において用いる不確定出力
回路および一様化回路の具体的な構成に関しては、上記
の具体例に限定されず、その機能あるいは作用が同様な
全ての回路に置換したものも本発明の範囲に包含され
る。
For example, the specific configurations of the uncertain output circuit and the equalizing circuit used in the present invention are not limited to the above-mentioned specific examples, and may be replaced with all circuits having similar functions or actions. Within the scope of the present invention.

【0066】また、上述した具体例においては、マルチ
バイブレータ10Aの一方のNAND回路だけにMOS
トランジスタを配置した場合を例示したが、A側とB側
の両方に設けても良い。
In the specific example described above, only one of the NAND circuits of the multivibrator 10A has a MOS circuit.
Although the case where the transistors are arranged is shown as an example, they may be provided on both the A side and the B side.

【0067】また、マルチバイブレータの容量C1、C
2のいずれかが時間的に変動するようにしてもよい。
Further, the capacitances C1 and C of the multivibrator
Either of the two may change with time.

【0068】また、本発明においては、無安定マルチバ
イブレータに限らず、「単安定マルチバイブレータ」や
「双安定マルチバイブレータ」を用いても同様の不安定
な出力を形成させることができ、これらも本発明の範囲
に包含される。
Further, in the present invention, not only the astable multivibrator but also the "monostable multivibrator" or the "bistable multivibrator" can be used to form the same unstable output. Within the scope of the present invention.

【0069】さらに、前述した複数の実施例のうち、不
確定出力のデジタル回路と、デジタル出力の頻度を補正
する回路とを部分的に組み合わせたものも、乱数生成回
路として使用可能であり、本発明の範囲に包含される。
Further, among the above-mentioned plurality of embodiments, a partial combination of a digital circuit of uncertain output and a circuit for correcting the frequency of digital output can be used as the random number generation circuit. It is included in the scope of the invention.

【0070】また、本発明の乱数生成回路によって作ら
れたデジタル乱数は、そのまま使用することもできる
が、フィードバックシフトレジスタの種として用いるこ
とにより、新たな乱数を生成することもできる。
Although the digital random number generated by the random number generation circuit of the present invention can be used as it is, a new random number can be generated by using it as a seed of the feedback shift register.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
無安定マルチバイブレータにおいて、その出力を不安定
とする素子を導入することにより、乱数生成回路を少な
い論理ゲート数で構成できるので、小規模な回路で済
む。
As described in detail above, according to the present invention,
In the astable multivibrator, a random number generation circuit can be configured with a small number of logic gates by introducing an element that makes its output unstable, so that a small circuit is sufficient.

【0072】また同時に、「0」と「1」の頻度を補正
する一様化回路も、比較的小規模な論理回路で構成可能
である。
At the same time, the equalizing circuit for correcting the frequency of "0" and "1" can be configured by a relatively small-scale logic circuit.

【0073】そして、乱数の元になる現象は、無安定マ
ルチバイブレータ10Aを構成する素子の物理現象に基
づくものであるので、同一の入力に対して、不確定の出
力が得られるため、乱数列に周期性が出ず、乱数を推定
可能な疑似乱数とは異なる質の高い乱数を得ることがで
きる。
Since the phenomenon that is the basis of the random number is based on the physical phenomenon of the elements that constitute the astable multivibrator 10A, an uncertain output can be obtained for the same input. It is possible to obtain a high-quality random number that is different from a pseudo-random number that can estimate a random number without generating periodicity.

【0074】すなわち、本発明によれば、真性度が高い
乱数をコンパクト且つ低価格で実現できるようになり、
例えばICカードなどに応用してセキュリティの確実な
安価なカードシステムを実現できることができる点で産
業上のメリットは多大である。
That is, according to the present invention, it is possible to realize a random number having a high degree of authenticity in a compact size and at a low price.
For example, the industrial advantage is great in that an inexpensive card system with reliable security can be realized by applying it to an IC card or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の乱数生成回路の要部構成を表すブロッ
ク図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a main part of a random number generation circuit of the present invention.

【図2】通常「無安定マルチバイブレータ」と呼ばれる
デジタル回路を表す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a digital circuit usually called an “astabilized multivibrator”.

【図3】本発明の乱数発生回路において用いるマルチバ
イブレータの要部構造を表す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a main part structure of a multivibrator used in the random number generation circuit of the present invention.

【図4】MOSトランジスタ14の要部構造を例示する
概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram exemplifying a main structure of a MOS transistor 14.

【図5】トランジスタのチャネル抵抗が時間的に揺らい
でいる状態を表す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which the channel resistance of a transistor fluctuates with time.

【図6】本発明における無安定マルチバイブレータから
得られる出力信号を例示する概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an output signal obtained from the astable multivibrator according to the present invention.

【図7】本発明における一様化回路の動作を説明するた
めの概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the operation of the equalizing circuit according to the present invention.

【図8】一様化回路のもうひとつの具体例を表す模式図
である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing another specific example of the equalizing circuit.

【図9】一様化回路のもうひとつの具体例を表す模式図
である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing another specific example of the equalizing circuit.

【図10】本発明の具体例の乱数生成回路の要部構成を
表す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a random number generation circuit according to a specific example of the present invention.

【図11】フォトダイオードを用いたマルチバイブレー
タを表す模式図である。
FIG. 11 is a schematic view showing a multivibrator using a photodiode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 不確定出力回路 10A 無安定マルチバイブレータ 10B カウンタ 11、12 NAND回路 14 トランジスタ 12C チャネル 12G ゲート絶縁膜 20 一様化回路 20A XOR回路 20B フリップフロツプ 20C FSR 20D デジタルカウンタ 20E フィードバック回路 T トラップ 21 フォトダイオード 22 発光素子 10 Uncertain output circuit 10A astable multivibrator 10B counter 11, 12 NAND circuit 14 transistors 12C channel 12G gate insulation film 20 Uniformizer 20A XOR circuit 20B flip flop 20C FSR 20D digital counter 20E feedback circuit T trap 21 photodiode 22 Light emitting element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古賀 淳二 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 大場 竜二 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 5J049 AA01 AA17 CA03 CA10 5J104 FA10    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Junji Koga             8th Shinsugita Town, Isogo Ward, Yokohama City, Kanagawa Prefecture             Ceremony company Toshiba Yokohama office (72) Inventor Ryuji Oba             8th Shinsugita Town, Isogo Ward, Yokohama City, Kanagawa Prefecture             Ceremony company Toshiba Yokohama office F term (reference) 5J049 AA01 AA17 CA03 CA10                 5J104 FA10

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】不確定なデジタル信号列を生成する不確定
出力回路を備え、 前記不確定出力回路は、「0」レベルと「1」レベルと
を交互に出力し、前記「0」レベルと前記「1」レベル
をそれぞれ保持する時間を決定する回路要素のうちの少
なくともいずれかの特性が時間とともに変動することに
より、前記「0」レベルと前記「1」レベルを保持する
時間のいずれかが変動するマルチバイブレータを有する
ことを特徴とする乱数生成回路。
1. An uncertain output circuit for generating an uncertain digital signal sequence, wherein the uncertain output circuit alternately outputs a "0" level and a "1" level, and outputs the "0" level. At least one of the circuit elements that determine the time for holding the “1” level changes with time, so that either the “0” level or the time for holding the “1” level is changed. A random number generation circuit having a varying multivibrator.
【請求項2】前記不確定出力回路は、 前記マルチバイブレータから出力される前記「0」レベ
ルと前記「1」レベルとの信号列を一定の周期で読み取
るカウンタをさらに有することを特徴とする請求項1記
載の乱数生成回路。
2. The uncertain output circuit further comprises a counter for reading a signal sequence of the "0" level and the "1" level output from the multivibrator at a constant cycle. A random number generation circuit according to item 1.
【請求項3】前記カウンタが読み取る前記一定の周期
は、前記マルチバイブレータから出力される前記「0」
レベルと前記「1」レベルとの信号列における平均的な
遷移の周期よりも十分に長いことを特徴とする請求項2
記載の乱数生成回路。
3. The constant cycle read by the counter is the "0" output from the multivibrator.
3. The cycle is sufficiently longer than the average transition period in the signal sequence of the level and the "1" level.
The described random number generation circuit.
【請求項4】前記変動する前記回路要素の特性は、MO
Sトランジスタのチャネル抵抗であることを特徴とする
請求項1〜3のいずれか1つに記載の乱数生成回路。
4. The characteristic of the varying circuit element is MO
4. The random number generation circuit according to claim 1, wherein the random number generation circuit is a channel resistance of an S transistor.
【請求項5】前記不確定出力回路から出力される前記不
確定なデジタル信号列における「0」と「1」の出現頻
度をカウントするカウント回路と、 前記カウント回路によりカウントした前記出現頻度に基
づいたフィードバック信号を前記マルチバイブレータの
前記回路要素に与えるフィードバック回路と、 をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれ
か1つに記載の乱数生成回路。
5. A count circuit for counting the frequency of appearance of "0" and "1" in the uncertain digital signal sequence output from the uncertain output circuit, and based on the frequency of appearance counted by the count circuit. The feedback circuit which gives the said feedback signal to the said circuit element of the said multivibrator, The random number generation circuit as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
【請求項6】前記不確定出力回路から出力された前記不
確定なデジタル信号列に含まれる複数のデジタル信号の
排他的論理和を演算しその演算結果を乱数として出力す
る論理演算回路をさらに備えたことを特徴とする請求項
1〜5のいずれか1つに記載の乱数生成回路。
6. A logical operation circuit for calculating an exclusive OR of a plurality of digital signals included in the uncertain digital signal sequence output from the uncertain output circuit and outputting the operation result as a random number. The random number generation circuit according to claim 1, wherein the random number generation circuit is a random number generation circuit.
【請求項7】「0」と「1」との出現頻度が1:1であ
るデジタル信号列と、前記不確定出力回路から出力され
る前記不確定なデジタル信号列と、の排他的論理和を演
算しその演算結果をデジタル乱数列として出力する論理
演算回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜5
のいずれか1つに記載の乱数生成回路。
7. An exclusive OR of a digital signal sequence in which appearance frequencies of "0" and "1" are 1: 1 and the indeterminate digital signal sequence output from the indeterminate output circuit. 6. A logical operation circuit for calculating and outputting the operation result as a digital random number sequence is further provided.
The random number generation circuit described in any one of 1.
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