JP2006189946A - Random number generation circuit and semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、乱数生成回路及び半導体集積回路に関し、特に物理現象に基づき乱数信号を生成する乱数生成回路及びそれを搭載した半導体集積回路に関する。 The present invention relates to a random number generation circuit and a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a random number generation circuit that generates a random number signal based on a physical phenomenon and a semiconductor integrated circuit including the random number generation circuit.
乱数は、情報通信の暗号化、計算機シミュレーション等の分野において、広く使われている。一般的に用いられている乱数は、あるアルゴリズムに基づいて、計算により擬似的に求められた算術乱数である。この算術乱数においては、その生成回路を小型にかつ簡易に製作することができるものの、計算に用いる初期値(シード)が一定であれば出力される乱数は常に同じ値になる。 Random numbers are widely used in fields such as information communication encryption and computer simulation. A commonly used random number is an arithmetic random number obtained by simulation based on a certain algorithm. In this arithmetic random number, although the generation circuit can be made small and simple, if the initial value (seed) used for calculation is constant, the output random number is always the same value.
一方、算術乱数とは異なる、物理的な揺らぎ現象をデジタル化して生成される物理乱数が知られている。物理乱数においては、算術乱数と違って物理現象に基づいて初期値を生成することができるので、一定の初期値が存在せず、出力される乱数の値は完全にランダムになる。 On the other hand, a physical random number generated by digitizing a physical fluctuation phenomenon different from an arithmetic random number is known. In the physical random number, unlike the arithmetic random number, an initial value can be generated based on a physical phenomenon. Therefore, there is no fixed initial value, and the output random number value is completely random.
物理乱数の生成方法として、下記特許文献1には、装置の中に存在するノイズを利用して乱数を生成する方法が開示されている。この方法によれば、非常に良質の乱数を生成することができる特徴がある。
As a physical random number generation method,
また、下記非特許文献には、乱数化の際に大きなノイズ信号を発生することができる素子が報告されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示された乱数の生成方法においては、良質の乱数を生成することができる反面、ノイズ源から出力される信号が小さく、この出力信号に大きな増幅が必要になる。このため、乱数生成回路の増幅回路の規模が大きくなり、更にこの乱数生成回路を搭載する半導体集積回路の集積度が低下するという点において、配慮がなされていなかった。
However, in the random number generation method disclosed in
このような技術的課題を解決するには、上記非特許文献1に報告されている素子の適用が有効である。しかしながら、この種の素子は1/f特性を持っているので、特許文献1に開示された乱数の生成方法に適用する場合には、増幅後のアナログデジタル変換処理の際にオフセット調整が必要になる。すなわち、乱数生成回路にフィードバック回路を追加する必要があり、乱数生成回路の規模が大きくなる。結果的に、乱数生成回路を搭載する半導体集積回路においては、集積度が低下する。また、乱数生成回路にフィードバック回路を備えた結果、乱数の出力速度が遅くなり、半導体集積回路の動作速度の高速化を実現することが難しい。
In order to solve such a technical problem, it is effective to apply the element reported in Non-Patent
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、小型化を実現しつつ、乱数の生成速度の高速化を実現することができる乱数生成回路を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a random number generation circuit capable of increasing the generation speed of random numbers while realizing downsizing. is there.
更に、本発明の目的は、乱数生成回路の小型化並びに高速化を実現することができ、集積度を向上しつつ、動作速度の高速化を実現することができる半導体集積回路を提供することである。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit that can realize a reduction in size and increase in speed of a random number generation circuit, and increase in operating speed while improving the degree of integration. is there.
本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、乱数生成回路において、ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータとを備える。 A first feature according to an embodiment of the present invention is that, in a random number generation circuit, a noise generation source that generates a noise signal, a filter that extracts a part of the frequency band of the noise signal, and a frequency band of the noise signal And a comparator that generates a random number signal obtained by amplifying the signal difference between the unit and the reference signal.
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、乱数生成回路において、ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、ノイズ信号の周波数帯域の低周波数帯域を抽出するローパスフィルタと、ノイズ信号の低周波数帯域とノイズ信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータとを備える。 A second feature according to the embodiment of the present invention is that, in the random number generation circuit, a noise generation source that generates a noise signal, a low-pass filter that extracts a low frequency band of the frequency band of the noise signal, and a low frequency of the noise signal A comparator that generates a random number signal obtained by amplifying the signal difference between the band and the noise signal.
本発明の実施の形態に係る第3の特徴は、乱数生成回路において、ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタと、ノイズ信号の高周波数帯域と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータとを備える。 A third feature according to the embodiment of the present invention is that, in the random number generation circuit, a noise generation source that generates a noise signal, a high-pass filter that extracts a high frequency band of the noise signal, and a high frequency of the noise signal A comparator that generates a random number signal obtained by amplifying the signal difference between the band and the reference signal.
本発明の実施の形態に係る第4の特徴は、乱数生成回路において、ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタと、ノイズ信号の高周波数帯域を遅延させた参照信号を生成する遅延回路と、ノイズ信号の高周波数帯域と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータとを備える。 A fourth feature according to the embodiment of the present invention is that, in the random number generation circuit, a noise generation source that generates a noise signal, a high-pass filter that extracts a high frequency band of the noise signal, and a high frequency of the noise signal A delay circuit that generates a reference signal having a delayed band; and a comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between the high frequency band of the noise signal and the reference signal.
本発明の実施の形態に係る第5の特徴は、半導体集積回路において、ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータとを備えた乱数生成回路と、この乱数生成回路を搭載する基板とを備える。 A fifth feature according to the embodiment of the present invention is that in a semiconductor integrated circuit, a noise generation source that generates a noise signal, a filter that extracts a part of the frequency band of the noise signal, and a frequency band of the noise signal are provided. A random number generation circuit including a comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between the unit and the reference signal, and a substrate on which the random number generation circuit is mounted.
本発明によれば、小型化を実現しつつ、乱数の生成速度の高速化を実現することができる乱数生成回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a random number generation circuit capable of realizing a reduction in size and increasing a random number generation speed.
更に、本発明によれば、乱数生成回路の小型化並びに高速化を実現することができ、集積度を向上しつつ、動作速度の高速化を実現することができる半導体集積回路を提供することができる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit capable of realizing a reduction in size and an increase in speed of a random number generation circuit and an increase in operation speed while improving an integration degree. it can.
以下、本発明の実施の形態に係る乱数生成回路及び半導体集積回路について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a random number generation circuit and a semiconductor integrated circuit according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
[乱数生成回路の構成]
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る乱数生成回路1は、ノイズ信号を発生するノイズ発生源2と、ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータ4とを備えている。第1の実施の形態において、フィルタには、ノイズ信号の周波数帯域の低周波数帯域を抽出するローパスフィルタ3が使用されている。
(First embodiment)
[Configuration of random number generator]
As shown in FIG. 1, a random
乱数生成回路1のノイズ発生源2においてノイズ信号が生成されると、このノイズ信号が出力され、ノイズ信号は出力直後に2系統に分けられる。一方の系統において、ノイズ信号は参照信号として直接コンパレータ4の入力端子に入力される。他方の系統において、ノイズ信号はローパスフィルタ3を通してコンパレータ4の入力端子に入力される。
When a noise signal is generated in the
図2にノイズ発生源2から出力されるノイズ信号の出力波形(符号A)とローパスフィルタ3の出力波形(符号B)との関係を示す。図2において、横軸は時間、縦軸は電圧又は電流である。ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号の高周波成分は、ローパスフィルタ3を通過することにより除去される。ローパスフィルタ3においては、カットオフ周波数が適切に選択されており、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号に対して、その中心付近の電圧値又は電流値を有するノイズ信号を生成することができる。
FIG. 2 shows the relationship between the output waveform (symbol A) of the noise signal output from the
図1に示すコンパレータ4においては、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号が参照信号として入力され、かつローパスフィルタ3から出力されるノイズ信号が入力されると、双方の信号の大小が比較され、この信号差が増幅され、信号差に応じたデジタル信号又はそれに近い信号が乱数信号として出力される。コンパレータ4は、双方の信号の大小によって「ハイレベル」か「ローレベル」かの2値の電圧のいずれか一方を出力する。
In the comparator 4 shown in FIG. 1, when the noise signal output from the
ノイズ発生源2において生成されるノイズ信号がランダムであれば、ローパスフィルタ3から出力されるノイズ信号に対して、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号が高い時間と低い時間とはランダムに分布するので、コンパレータ4から出力される乱数信号の「ハイレベル」の時間と「ローレベル」の時間とはランダムに揺らぐ。図示しない乱数生成回路1の内部若しくは外部に配設したラッチ回路において、コンパレータ4から出力される乱数信号を適切なクロック信号によってラッチすることにより、1ビットの乱数出力を得ることができる。
If the noise signal generated in the
[ノイズ発生源の構成]
図3に示すように、乱数生成回路1のノイズ発生源2は、第1の電源端子21に一端が接続された抵抗素子23と、抵抗素子23の他端に一端が接続され、他端が第2の電圧端子に接続されたノイズ素子24と、抵抗素子23の他端及びノイズ素子24の一端に接続された出力端子25とを備えている。すなわち、ノイズ発生源2は、第1の電源端子21と第2の電源端子22との間に電気的に直列接続された抵抗素子23及びノイズ素子24を配設し、抵抗素子23とノイズ素子24との間の中間ノードに出力端子25を接続している。第1の電源端子21から供給される電圧値又は電流値は第2の電源端子22から供給される電圧値又は電流値に対して異なっており、いずれか一方が他方に対して大きくても小さくてもよい。
[Configuration of noise source]
As shown in FIG. 3, the
第1の実施の形態において、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号には大きな揺らぎを与えることができる。ここで、「揺らぎ」とは、ノイズ素子24に一定電圧又は一定電流を加えたとき、出力端子25から出力されるノイズ信号(電圧値又は電流値)が大きく変動するという意味で使用される。ノイズ発生源2は、乱数生成回路1から出力される乱数信号の出力周波数の平均電流又は平均電圧の値に対して、所望のサンプリング時間において0.1%以上の揺らぎを有するノイズ信号を発生することが好ましい。ここで、所望のサンプリング時間とは、乱数生成回路1の出力ビットレートに依存し、出力ビットレートの周波数の逆数である。
In the first embodiment, a large fluctuation can be given to the noise signal output from the
図4に示すように、ノイズ素子24は、ナノスケールの微細な電子チャネル241と、電子チャネル241の近傍に配設された、ノイズ信号を発生させる電子トラップ242とを備えている。ノイズ素子24は例えば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(以下、単に「IGFET」という。)である。電子チャネル241はソース領域とドレイン領域との間のチャネルであり、電子トラップ242はゲート絶縁膜中の電子トラップである。
As shown in FIG. 4, the
電子トラップ242に電子eが捕獲されると、電子eが作るクーロン場により電子チャネル241を通過する電子eが影響を受け、電子チャネル241の伝導度が変化する。電子トラップ242において電子eの捕獲又は放出は、電子チャネル241と電子トラップ242との間に存在するエネルギ障壁を介して、電子チャネル241との間において行われる。電子eの捕獲又は放出は熱的にランダムに発生するので、電子チャネル241の伝導度はランダムに揺らぐことになる。結果的に、電子チャネル241に一定電流又は一定電圧を供給しても、電子チャネル241において電流値又は電圧値がランダムに揺らいだノイズ信号を生成することができる。
When the electron e is captured by the
また、図5に示すように、ノイズ素子24は、第1の電極245と、第1の電極245上に配設され、疑似破壊によりノイズ信号を発生させる絶縁膜246と、絶縁膜246上の第2の電極247とを備えて構成することもできる。このノイズ素子24は、例えばコンデンサであり、第1の電極245と第2の電極247との間に絶縁膜246を挟み込んだ構造において構成されている。コンデンサにおいては、絶縁膜246に電気的ストレスを加えると、絶縁膜246の伝導度が若干増加した状態になる。このとき、絶縁膜246に(第1の電極245と第2の電極247との間に)一定電流又は一定電圧を供給すると、絶縁膜246中の電子トラップ間をトンネル現象により電子eがランダムに移動し、大きく揺らいだ電流値又は電圧値が得られる。この電流値又は電圧値の揺らぎにより、ノイズ信号を生成することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the
第1の電極245、第2の電極247のそれぞれには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、金属等の導電性材料により構成されている。絶縁膜246には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の単層膜、それらを積層した複合膜等の絶縁性材料により構成されている。
Each of the
[ローパスフィルタの構成]
図6に示すように、乱数生成回路1のローパスフィルタ3は、その入力端子31に一端が接続され、その出力端子32に他端が接続された抵抗素子33と、抵抗素子33の他端と出力端子32との間に第1の電極341が接続され、基準電源(例えば、接地電位)35に第2の電極342が接続されたコンデンサ35とを備えている。
[Configuration of low-pass filter]
As shown in FIG. 6, the low-
ローパスフィルタ3において、出力端子32から出力されるノイズ信号が3dB程度下がるカットオフ周波数はおよそ1/(2πCR)により求めることができる。従って、ローパスフィルタ3において、抵抗素子33の抵抗値Rとコンデンサ34の容量値Cとを調節すれば、コンパレータ4に入力するノイズ信号の強度を調整することができる。
In the low-
このローパスフィルタ3は、入力端子31に一端を接続した抵抗素子33の他端のノードを出力端子32に接続し、このノードと基準電源35との間にはコンデンサ34を挿入しているので、基準電源35に発生するノイズはノイズ信号に加わらない。つまり、ローパスフィルタ3は、入力端子31からノイズ信号を入力する、一系統の信号入力である。
In this low-
[コンパレータの構成]
図7に示すように、乱数生成回路1のコンパレータ4は、電源端子41及び基準電源42に接続され、2個の第1の入力端子43及び第2の入力端子44と、1個の出力端子47とを備え、第1のチャネル導電型IGFET451〜454と、第2のチャネル導電型IGFET461〜464とを備えている。第1の実施の形態において、IGFETとは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のいずれも含む意味において使用されている。また、第1のチャネル導電型とはpチャネル導電型であり、第2のチャネル導電型とはnチャネル導電型である。
[Comparator configuration]
As shown in FIG. 7, the comparator 4 of the random
第1のチャネル導電型IGFET451のソース領域は電源端子41に接続され、ドレイン領域は第2のチャネル導電型IGFET461のドレイン領域に接続され、ゲート電極は第2のチャネル導電型IGFET452のゲート電極に接続されている。第1のチャネル導電型IGFET452のソース領域は電源端子41に接続され、ドレイン領域は第2のチャネル導電型IGFET462のドレイン領域に接続されている。
The source region of the first channel
第2のチャネル導電型IGFET461のソース領域は基準電源42に接続され、ゲート電極は第1の入力端子43に接続されている。第2のチャネル導電型IGFET462のソース領域は基準電源42に接続され、ゲート電極は第2の入力端子44に接続されている。
The source region of the second channel
第1のチャネル導電型IGFET453のソース領域は電源端子41に接続され、ドレイン領域は第2のチャネル導電型IGFET463のドレイン領域及びゲート電極に接続され、ゲート電極は第1のチャネル導電型IGFET451のゲート電極及びドレイン領域と第1のチャネル導電型IGFET452のゲート電極とに接続されている。第2のチャネル導電型IGFET463のソース領域は基準電源42に接続されている。
The source region of the first channel
第1のチャネル導電型IGFET454のソース領域は電源端子41に接続され、ドレイン領域は第2のチャネル導電型IGFET464のドレイン領域に接続され、ゲート電極は第1のチャネル導電型IGFET452のドレイン領域に接続されている。第2のチャネル導電型IGFET464のソース領域は基準電源42に接続され、ゲート電極は第2のチャネル導電型IGFET463のゲート電極に接続されている。
The source region of the first channel
出力端子47は、第1のチャネル導電型IGFET454のドレイン領域と第2のチャネル導電型IGFET464のドレイン領域とに接続されている。
The
このような構成を備えたコンパレータ4においては、第1の入力端子43に入力される信号(電圧)が第2の入力端子44に入力される信号(電圧)に比べて高い場合、出力端子47にはロウレベルの(又はそれに近い)電圧が出力される。逆に、第1の入力端子43に入力される信号が第2の入力端子44に入力される信号に比べて低い場合、出力端子47にはハイレベルの(又はそれに近い)電圧が出力される。
In the comparator 4 having such a configuration, when the signal (voltage) input to the
[半導体集積回路の構成]
図8に示すように、乱数生成回路1は、基板11上に搭載され、半導体集積回路10を構築する。基板11には、単結晶シリコン基板、半絶縁性基板等の半導体基板、表面上に半導体活性層を有する絶縁基板等を実用的に使用することができる。
[Configuration of semiconductor integrated circuit]
As shown in FIG. 8, the random
半導体集積回路10は、その用途により搭載する回路は様々であるが、第1の実施の形態において、乱数生成回路1の他に、逐次読み出し書き込みが可能な記憶回路(RAM)13、読み出し専用記憶回路(ROM)14、電気的不揮発性記憶回路(EEPROM)15、暗号処理用補助演算部16及び演算部17を搭載している。これらの回路はデータバス12を通して相互に接続されている。
The semiconductor integrated circuit 10 can be mounted in various circuits depending on the application, but in the first embodiment, in addition to the random
また、演算部17には、電源回路181、基準電源回路182、リセット回路183、クロック信号発生回路184、入出力インターフェイス回路185のそれぞれが接続されている。なお、これらの電源回路181等においては、必ずしも基板11上に回路として搭載する必要はなく、外部から電源や信号として入力するようにしてもよい。
Further, a
半導体集積回路10は、ICカード、携帯電話機、計算機等に組み込まれ、暗号処理を行う。更に、第1の実施の形態に係る乱数生成回路1から出力される乱数は真正乱数であるので、半導体集積回路10の消費電力を測定して内部の暗号鍵を読み出すようなハッキングに対して、消費電力を撹乱させる用途等に使用することができる。
The semiconductor integrated circuit 10 is incorporated in an IC card, a mobile phone, a computer, etc., and performs cryptographic processing. Furthermore, since the random number output from the random
以上説明したように、第1の実施の形態に係る乱数生成回路1においては、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号の一方をコンパレータ4に直接入力し、他方をローパスフィルタ3を通してコンパレータ4に入力し、コンパレータ4において信号差に基づきノイズ信号を増幅するようにしたので、微小なノイズ信号の増幅を重ねる複雑な構造の増幅回路を無くすことができる。従って、小型化を実現しつつ、乱数の生成速度の高速化を実現することができる乱数生成回路1を提供することができる。
As described above, in the random
更に、乱数生成回路1の小型化並びに高速化を実現することができるので、集積度を向上しつつ、動作速度の高速化を実現することができる半導体集積回路10を提供することができる。
Furthermore, since the random
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態に係る乱数生成回路1において、入力回路を追加した例を説明するものである。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention describes an example in which an input circuit is added to the random
[入力回路の構成]
図9に示すように、第2の実施の形態に係る乱数生成回路1は、ノイズ発生源2とローパスフィルタ3及びコンパレータ4との間に入力回路5を備えている。ノイズ発生源2とローパスフィルタ3及びコンパレータ4との間を直接接続した場合、ローパスフィルタ3やコンパレータ4の影響によりノイズ発生源2から充分なノイズ信号が得られなくなる可能性がある。入力回路5はこのような現象を防止することができる。
[Configuration of input circuit]
As shown in FIG. 9, the random
図10に示すように、入力回路5は、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号が入力端子53を通して制御電極に入力され、第1の主電極が電源端子51に接続され、第2の主電極が出力端子54を通してローパスフィルタ3及びコンパレータ4に接続されたトランジスタ55と、トランジスタ55の第2の主電極に一端が接続され、他端が基準電源52に接続された抵抗素子56とを備え、トランジスタ55と抵抗素子56との直列回路により構成されている。第2の実施の形態において、トランジスタ55には第1のチャネル導電型IGFET、すなわちpチャネル導電型IGFETが使用されている。従って、制御電極はゲート電極であり、第1の主電極はソース領域であり、第2の主電極はドレイン領域である。
As shown in FIG. 10, in the
第2の実施の形態に係る乱数生成回路1及び半導体集積回路10においては、ノイズ発生源2に大きなノイズ信号を発生するノイズ素子24を使用しているので、入力回路5の利得は必要なく、入力回路5を小型化することができ、かつノイズ発生源2から充分なノイズ信号を発生させることができる。
In the random
[入力回路の変形例]
図11に示すように、入力回路5は、ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号が入力端子53を通して制御電極に入力され、第1の主電極が基準端子52に接続され、第2の主電極が出力端子54を通してローパスフィルタ3及びコンパレータ4に接続されたトランジスタ57と、トランジスタ57の第2の主電極に一端が接続され、他端が電源端子51に接続された抵抗素子56とを備え、トランジスタ57と抵抗素子56との直列回路により構成されている。第2の実施の形態の変形例において、トランジスタ57には第2のチャネル導電型IGFET、すなわちnチャネル導電型IGFETが使用されている。従って、制御電極はゲート電極であり、第1の主電極はソース領域であり、第2の主電極はドレイン領域である。
[Modification of input circuit]
As shown in FIG. 11, in the
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態は、第2の実施の形態に係る乱数生成回路1にバッファを追加した例を説明するものである。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention describes an example in which a buffer is added to the random
[バッファの構成]
図12に示すように、第3の実施の形態に係る乱数生成回路1は、コンパレータ4の出力端子(47)に入力端子が接続されたバッファ6を備えている。前述の図6に示すコンパレータ4において、第1の入力端子43、第2の入力端子44のそれぞれに入力される信号の電圧差がそれほど無い場合、回路の感度が弱い辺りに電圧が分布している場合には、出力電圧が完全にハイレベル又はロウレベルに至らない。バッファ6はこのような現象を補正することができる。
[Buffer configuration]
As shown in FIG. 12, the random
図13に示すように、バッファ6は、入力端子63と出力端子64とを有するインバータにより構成されている。インバータは、電源端子61と基準電源62との間に配設された、第1のチャネル導電型IGFET65と第2のチャネル導電型IGFET66との直列回路により構成されている。第1のチャネル導電型IGFET65はpチャネル導電型IGFETであり、第2のチャネル導電型IGFET66はnチャネル導電型IGFETである。
As shown in FIG. 13, the buffer 6 is configured by an inverter having an
インバータにより構成されるバッファ6においては、入力端子63に入力された乱数信号の信号波形を整形して、出力端子64から乱数信号をデジタル信号として取り出すことができる。
In the buffer 6 constituted by the inverter, the signal waveform of the random number signal input to the
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態は、第2の実施の形態に係る乱数生成回路1において、ローパスフィルタ3に代えてハイパスフィルタを備えた例を説明するものである。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment of the present invention describes an example in which the random
[乱数生成回路の構成]
図14に示すように、第4の実施の形態に係る乱数生成回路1は、ノイズ信号を発生するノイズ発生源2と、入力回路5と、ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータ4とを備えている。第1の実施の形態において、フィルタには、ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタ7が使用されている。
[Configuration of random number generator]
As shown in FIG. 14, the random
乱数生成回路1のノイズ発生源2においてノイズ信号が生成されると、このノイズ信号が出力され、ノイズ信号は入力回路5を通してハイパスフィルタ7に入力され、ハイパスフィルタ7においてノイズ信号の低周波数帯域が除去され、このノイズ信号がコンパレータ4の入力端子に入力される。第4の実施の形態において、乱数生成回路1は更に参照電圧発生回路8を備えており、この参照電圧発生回路8から出力される参照電圧はコンパレータ4の入力端子に入力される。
When a noise signal is generated in the
参照電圧発生回路8から出力される参照電圧には、基準電源(接地電位)を使用することができるが、コンパレータ4として使用するオペアンプの種類によっては基準電源周りの電圧の大小に関して感度が無い。感度を得ようとすれば、コンパレータ4の回路規模が大きくなる。第4の実施の形態においては、参照電圧発生回路8から出力され、ハイパスフィルタ7とコンパレータ4とにおいて使用される参照電圧を、コンパレータ4の最も感度のある電圧値付近の値に設定し、参照電圧発生回路8の回路規模が縮小されている。
A reference power supply (ground potential) can be used for the reference voltage output from the reference
図15にハイパスフィルタ7から出力されるノイズ信号の出力波形(符号C)と参照電圧発生回路8から出力される参照電圧の出力波形(符号D)との関係を示す。図15において、横軸は時間、縦軸は電圧又は電流である。ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号の低周波成分は、ハイパスフィルタ7を通過することにより除去される。ハイパスフィルタ7を通過したノイズ信号は、カットオフ周波数を適切に選択することにより、参照電圧の周りで揺らいだノイズ信号になる。
FIG. 15 shows the relationship between the output waveform (symbol C) of the noise signal output from the high-pass filter 7 and the output waveform (symbol D) of the reference voltage output from the reference
このハイパスフィルタ7を通過したノイズ信号と参照電圧とをコンパレータ4において比較することにより、コンパレータ4は信号の電圧差に応じて増幅されたデジタル信号又はそれに近い信号からなる乱数信号を出力することができる。ノイズ発生源2から出力されるノイズ信号がランダムであれば、ハイパスフィルタ7を通過したノイズ信号の電圧が高い時間は参照電圧に対してランダムに分布し、電圧が低い時間は参照電圧に対してランダムに分布する。従って、コンパレータ4から出力される乱数信号のハイレベルの時間、ロウレベルの時間はいずれもランダムな揺らぎを有する。この乱数信号は前述のように適当なクロックにおいてラッチすることにより、1ビットの乱数出力を得ることができる。
By comparing the noise signal that has passed through the high-pass filter 7 and the reference voltage in the comparator 4, the comparator 4 can output a random signal composed of a digital signal amplified in accordance with the voltage difference between the signals or a signal close thereto. it can. If the noise signal output from the
なお、実際には、乱数生成回路1が持つ特性や外部の影響により、ハイパスフィルタ7を通過後のノイズ信号の中心電圧が参照電圧から多少ずれた電圧値の周りで揺らぐ場合がある。このような場合には、コンパレータ7に入力される参照電圧を適切な値に調整すれば、回避することができる。
Actually, the center voltage of the noise signal after passing through the high-pass filter 7 may fluctuate around a voltage value slightly deviated from the reference voltage due to characteristics of the random
また、コンパレータ4から出力される乱数信号の電圧スイングが充分に得られない場合には、前述の第3の実施の形態に係る乱数生成回路1に備えたバッファ6と同一のバッファ6をコンパレータ4の出力段に配設すればよい。
Further, when the voltage swing of the random number signal output from the comparator 4 cannot be obtained sufficiently, the same buffer 6 as the buffer 6 provided in the random
[ハイパスフィルタの構成]
図16に示すように、ハイパスフィルタ7は、その入力端子71に第1の電極731が接続され、その出力端子72に第2の電極732が接続されたコンデンサ73と、コンデンサ73の第2の電極732と出力端子72との間に一端が接続され、電源端子(参照電圧発生回路8の出力端子)75に他端が接続された抵抗素子74とを備えている。
[Configuration of high-pass filter]
As shown in FIG. 16, the high-pass filter 7 has a capacitor 73 in which the
ハイパスフィルタ7において、出力端子72から出力されるノイズ信号が3dB程度下がるカットオフ周波数はおよそ1/(2πCR)により求めることができる。従って、ハイパスフィルタ7において、抵抗素子74の抵抗値Rとコンデンサ73の容量値Cとを調節すれば、コンパレータ4に入力するノイズ信号の強度を調整することができる。
In the high-pass filter 7, the cut-off frequency at which the noise signal output from the
このように構成される第4の実施の形態に係る乱数生成回路1及び半導体集積回路10においては、第2の実施の形態に係る乱数生成回路1及び半導体集積回路10により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
In the random
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態は、第4の実施の形態に係る乱数生成回路1において、参照電圧を遅延回路により生成した例を説明するものである。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment of the present invention describes an example in which a reference voltage is generated by a delay circuit in the random
[乱数生成回路の構成]
図17に示すように、第5の実施の形態に係る乱数生成回路1は、ノイズ信号を発生するノイズ発生源2と、ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタ7と、ノイズ信号の高周波数帯域を遅延させた参照信号を生成する遅延回路9と、ノイズ信号の高周波数帯域と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータ4とを備えている。
[Configuration of random number generator]
As shown in FIG. 17, the random
乱数生成回路1のノイズ発生源2においてノイズ信号が生成されると、このノイズ信号が出力され、ノイズ信号は入力回路5、ハイパスフィルタ7のそれぞれを通過後に2系統に分けられる。一方の系統において、ノイズ信号は直接コンパレータ4の入力端子に入力される。他方の系統において、ノイズ信号は遅延回路9を通して参照電圧としてコンパレータ4の入力端子に入力される。
When a noise signal is generated in the
図18にハイパスフィルタ7から出力されるノイズ信号の出力波形(符号E)と遅延回路9の出力波形(符号F)との関係を示す。図18において、横軸は時間、縦軸は電圧又は電流である。 FIG. 18 shows the relationship between the output waveform (symbol E) of the noise signal output from the high pass filter 7 and the output waveform (symbol F) of the delay circuit 9. In FIG. 18, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage or current.
コンパレータ4においては、ハイパスフィルタ7から出力されるノイズ信号が入力され、かつ遅延回路9から出力される参照電圧が入力されると、双方の信号の大小が比較され、この信号差が増幅され、信号差に応じたデジタル信号又はそれに近い信号が乱数信号として出力される。そして、コンパレータ4から出力される乱数信号を適切なクロック信号によってラッチすることにより、1ビットの乱数出力を得ることができる。 In the comparator 4, when the noise signal output from the high-pass filter 7 is input and the reference voltage output from the delay circuit 9 is input, the magnitudes of both signals are compared, and the signal difference is amplified. A digital signal corresponding to the signal difference or a signal close thereto is output as a random number signal. A 1-bit random number output can be obtained by latching the random number signal output from the comparator 4 with an appropriate clock signal.
このように構成される第5の実施の形態に係る乱数生成回路1及び半導体集積回路10においては、第2の実施の形態に係る乱数生成回路1及び半導体集積回路10により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
In the random
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、乱数生成回路1を構成するローパスフィルタ3、ハイパスフィルタ7等は一例の回路構成を説明したものであり、本発明は、同様の機能を有する回路構成であれば、特に限定されるものではない。また、本発明は、抵抗素子、コンデンサ等を特に素子として製作するのではなく、半導体集積回路10上に配設される配線の寄生抵抗や寄生コンデンサにより抵抗素子やコンデンサを製作してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the low-
1 乱数生成回路
2 ノイズ発生源
21 第1の電源端子
22 第2の電源端子
23、33、56、74 抵抗素子
24 ノイズ素子
25、32、47、54、64、72 出力端子
241 電子チャネル
242 電子トラップ
245、341 第1の電極
246 絶縁膜
247、342 第2の電極
3 ローパスフィルタ
31、53、63、71 入力端子
34、73 コンデンサ
35、42、52、62 基準電源
4 コンパレータ
41、51、61 電源端子
43 第1の入力端子
44 第2の入力端子
451〜454、65 第1のチャネル導電型IGFET
461〜464、66 第2のチャネル導電型IGFET
5 入力回路
55、57 トランジスタ
6 バッファ
7 ハイパスフィルタ
8 参照電圧発生回路
9 遅延回路
10 半導体集積回路
11 基板
13〜15 記憶回路
16 暗号処理用補助演算部
17 演算部
DESCRIPTION OF
461-464, 66 Second channel conductivity type IGFET
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、
前記ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータと、
を備えたことを特徴とする乱数生成回路。 A noise source that generates a noise signal;
A filter for extracting a part of the frequency band of the noise signal;
A comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a part of the frequency band of the noise signal and a reference signal;
A random number generation circuit comprising:
前記ノイズ信号の周波数帯域の低周波数帯域を抽出するローパスフィルタと、
前記ノイズ信号の低周波数帯域と前記ノイズ信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータと、
を備えたことを特徴とする乱数生成回路。 A noise source that generates a noise signal;
A low-pass filter for extracting a low frequency band of the noise signal;
A comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a low frequency band of the noise signal and the noise signal;
A random number generation circuit comprising:
前記ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタと、
前記ノイズ信号の高周波数帯域と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータと、
を備えたことを特徴とする乱数生成回路。 A noise source that generates a noise signal;
A high-pass filter that extracts a high frequency band of the noise signal;
A comparator for generating a random signal obtained by amplifying a signal difference between a high frequency band of the noise signal and a reference signal;
A random number generation circuit comprising:
前記ノイズ信号の周波数帯域の高周波数帯域を抽出するハイパスフィルタと、
前記ノイズ信号の高周波数帯域を遅延させた参照信号を生成する遅延回路と、
前記ノイズ信号の高周波数帯域と前記参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータと、
を備えたことを特徴とする乱数生成回路。 A noise source that generates a noise signal;
A high-pass filter that extracts a high frequency band of the noise signal;
A delay circuit for generating a reference signal obtained by delaying a high frequency band of the noise signal;
A comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a high frequency band of the noise signal and the reference signal;
A random number generation circuit comprising:
前記ノイズ信号の周波数帯域の一部を抽出するフィルタと、
前記ノイズ信号の周波数帯域の一部と参照信号との間の信号差を増幅した乱数信号を生成するコンパレータと、を備えた乱数生成回路と、
前記乱数生成回路を搭載する基板と、
を備えたことを特徴とする半導体集積回路。 A noise source that generates a noise signal;
A filter for extracting a part of the frequency band of the noise signal;
A random number generation circuit comprising: a comparator that generates a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a part of a frequency band of the noise signal and a reference signal;
A board on which the random number generation circuit is mounted;
A semiconductor integrated circuit comprising:
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