JP2006189946A - Random number generation circuit and semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Shinichi Yasuda
心一 安田
Shinobu Fujita
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a random number generation circuit and a semiconductor integrated circuit capable of realizing speedup and reduction in size at the same time. <P>SOLUTION: This random number generation circuit 1 is provided with a noise generation source 2 generating a noise signal, a filter 3 extracting a part of a frequency band of the noise signal, and a comparator 4 amplifying a signal difference between a part of the noise signal frequency band and a reference signal for generating a random number signal. The random number generation circuit 1 is installed on a base board for the semiconductor integrated circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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, Patent Literature 1 below discloses a method of generating a random number using noise existing in an apparatus. According to this method, a very good quality random number can be generated.

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。
特開平11−85472号公報 R. Ohba et al., Tech. Dig. IEDM 2003, p.745.
The following non-patent document reports an element capable of generating a large noise signal when randomizing.
JP-A-11-85472 R. Ohba et al., Tech. Dig. IEDM 2003, p.745.

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 Patent Document 1, a good quality random number can be generated. However, a signal output from a noise source is small, and a large amplification is required for the output signal. For this reason, no consideration has been given in that the scale of the amplification circuit of the random number generation circuit is increased, and the degree of integration of the semiconductor integrated circuit on which the random number generation circuit is further reduced.

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 Document 1. However, since this type of element has a 1 / f characteristic, when applied to the random number generation method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to adjust the offset in the analog-to-digital conversion process after amplification. Become. That is, it is necessary to add a feedback circuit to the random number generation circuit, which increases the scale of the random number generation circuit. As a result, in a semiconductor integrated circuit equipped with a random number generation circuit, the degree of integration decreases. In addition, as a result of providing the feedback circuit in the random number generation circuit, the output speed of the random number becomes slow, and it is difficult to realize an increase in the operation speed of the semiconductor integrated circuit.

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 number generation circuit 1 according to a first embodiment of the present invention includes a noise generation source 2 that generates a noise signal, a filter that extracts a part of the frequency band of the noise signal, And a comparator 4 for generating a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a part of the frequency band of the signal and the reference signal. In the first embodiment, a low-pass filter 3 that extracts a low frequency band of a noise signal is used as a filter.

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 noise generation source 2 of the random number generation circuit 1, this noise signal is output, and the noise signal is divided into two systems immediately after output. In one system, the noise signal is directly input to the input terminal of the comparator 4 as a reference signal. In the other system, the noise signal is input to the input terminal of the comparator 4 through the low-pass filter 3.

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 noise source 2 and the output waveform (symbol B) of the low-pass filter 3. In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage or current. The high frequency component of the noise signal output from the noise generation source 2 is removed by passing through the low pass filter 3. In the low-pass filter 3, the cutoff frequency is appropriately selected, and a noise signal having a voltage value or current value near the center of the noise signal output from the noise generation source 2 can be generated. .

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 noise generation source 2 is input as a reference signal and the noise signal output from the low-pass filter 3 is input, the magnitudes of both signals are compared. The signal difference is amplified, and a digital signal corresponding to the signal difference or a signal close thereto is output as a random number signal. The comparator 4 outputs one of the binary voltages “high level” and “low level” depending on the magnitude of both signals.

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 noise generation source 2 is random, the noise signal output from the noise generation source 2 is randomly distributed between the high time and the low time with respect to the noise signal output from the low-pass filter 3. Therefore, the “high level” time and the “low level” time of the random number signal output from the comparator 4 fluctuate randomly. 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 in a latch circuit provided inside or outside the random number generating circuit 1 (not shown).

[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 noise generation source 2 of the random number generation circuit 1 includes a resistance element 23 having one end connected to the first power supply terminal 21, one end connected to the other end of the resistance element 23, and the other end A noise element 24 connected to the second voltage terminal, and an output terminal 25 connected to the other end of the resistance element 23 and one end of the noise element 24 are provided. That is, the noise generation source 2 includes a resistance element 23 and a noise element 24 that are electrically connected in series between the first power supply terminal 21 and the second power supply terminal 22. The output terminal 25 is connected to an intermediate node between the output terminals 25 and 24. The voltage value or the current value supplied from the first power supply terminal 21 is different from the voltage value or the current value supplied from the second power supply terminal 22, and one of them is small or larger than the other. May be.

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 noise source 2. Here, “fluctuation” is used in the sense that when a constant voltage or a constant current is applied to the noise element 24, the noise signal (voltage value or current value) output from the output terminal 25 varies greatly. The noise generation source 2 generates a noise signal having a fluctuation of 0.1% or more in a desired sampling time with respect to the average current or average voltage value of the output frequency of the random number signal output from the random number generation circuit 1. It is preferable. Here, the desired sampling time depends on the output bit rate of the random number generation circuit 1 and is the reciprocal of the frequency of the output bit rate.

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 noise element 24 includes a nanoscale fine electron channel 241 and an electron trap 242 that is disposed near the electron channel 241 and generates a noise signal. The noise element 24 is, for example, an insulated gate field effect transistor (hereinafter simply referred to as “IGFET”). The electron channel 241 is a channel between the source region and the drain region, and the electron trap 242 is an electron trap in the gate insulating film.

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 electron trap 242, the electron e passing through the electron channel 241 is affected by the Coulomb field generated by the electron e, and the conductivity of the electron channel 241 changes. Capture or emission of the electrons e in the electron trap 242 is performed between the electron channel 241 and an energy barrier existing between the electron channel 241 and the electron trap 242. Since the capture or emission of the electrons e is randomly generated thermally, the conductivity of the electron channel 241 fluctuates randomly. As a result, even if a constant current or a constant voltage is supplied to the electronic channel 241, a noise signal in which the current value or the voltage value fluctuates randomly in the electronic channel 241 can be generated.

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 noise element 24 is disposed on the first electrode 245, the first electrode 245, the insulating film 246 that generates a noise signal by pseudo breakdown, and the insulating film 246. A second electrode 247 can also be provided. The noise element 24 is a capacitor, for example, and has a structure in which an insulating film 246 is sandwiched between the first electrode 245 and the second electrode 247. In the capacitor, when electrical stress is applied to the insulating film 246, the conductivity of the insulating film 246 is slightly increased. At this time, when a constant current or a constant voltage is supplied to the insulating film 246 (between the first electrode 245 and the second electrode 247), electrons e are randomly generated between the electron traps in the insulating film 246 by a tunnel phenomenon. The current value or voltage value which moves and fluctuates greatly is obtained. A noise signal can be generated by the fluctuation of the current value or the voltage value.

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 first electrode 245 and the second electrode 247 is formed of a conductive material such as single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, or metal. The insulating film 246 is made of an insulating material such as a single layer film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, or a composite film obtained by stacking them.

[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-pass filter 3 of the random number generation circuit 1 has a resistance element 33 having one end connected to the input terminal 31 and the other end connected to the output terminal 32, and the other end of the resistance element 33. A first electrode 341 is connected between the output terminal 32 and a capacitor 35 having a reference power source (for example, ground potential) 35 and a second electrode 342 connected thereto.

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-pass filter 3, the cut-off frequency at which the noise signal output from the output terminal 32 decreases by about 3 dB can be obtained by approximately 1 / (2πCR). Therefore, in the low-pass filter 3, the intensity of the noise signal input to the comparator 4 can be adjusted by adjusting the resistance value R of the resistance element 33 and the capacitance value C of the capacitor 34.

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-pass filter 3, a node at the other end of the resistance element 33 having one end connected to the input terminal 31 is connected to the output terminal 32, and a capacitor 34 is inserted between this node and the reference power supply 35. Noise generated in the reference power supply 35 is not added to the noise signal. That is, the low-pass filter 3 is a one-line signal input that receives a noise signal from the input terminal 31.

[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 number generation circuit 1 is connected to a power supply terminal 41 and a reference power supply 42, and has two first input terminals 43 and second input terminals 44, and one output terminal. 47, first channel conductivity type IGFETs 451 to 454, and second channel conductivity type IGFETs 461 to 464. In the first embodiment, the IGFET is used to mean both a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor). The first channel conductivity type is a p-channel conductivity type, and the second channel conductivity type is an n-channel conductivity type.

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 conductivity type IGFET 451 is connected to the power supply terminal 41, the drain region is connected to the drain region of the second channel conductivity type IGFET 461, and the gate electrode is connected to the gate electrode of the second channel conductivity type IGFET 452. Has been. The source region of the first channel conductivity type IGFET 452 is connected to the power supply terminal 41, and the drain region is connected to the drain region of the second channel conductivity type IGFET 462.

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 conductivity type IGFET 461 is connected to the reference power supply 42, and the gate electrode is connected to the first input terminal 43. The source region of the second channel conductivity type IGFET 462 is connected to the reference power supply 42, and the gate electrode is connected to the second input terminal 44.

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 conductivity type IGFET 453 is connected to the power supply terminal 41, the drain region is connected to the drain region and the gate electrode of the second channel conductivity type IGFET 463, and the gate electrode is the gate of the first channel conductivity type IGFET 451. The electrode and drain regions are connected to the gate electrode of the first channel conductivity type IGFET 452. The source region of the second channel conductivity type IGFET 463 is connected to the reference power source 42.

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 conductivity type IGFET 454 is connected to the power supply terminal 41, the drain region is connected to the drain region of the second channel conductivity type IGFET 464, and the gate electrode is connected to the drain region of the first channel conductivity type IGFET 452. Has been. The source region of the second channel conductivity type IGFET 464 is connected to the reference power source 42, and the gate electrode is connected to the gate electrode of the second channel conductivity type IGFET 463.

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 output terminal 47 is connected to the drain region of the first channel conductivity type IGFET 454 and the drain region of the second channel conductivity type IGFET 464.

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 first input terminal 43 is higher than the signal (voltage) input to the second input terminal 44, the output terminal 47 Is output at a low level (or close to it). Conversely, when the signal input to the first input terminal 43 is lower than the signal input to the second input terminal 44, a high level voltage (or a voltage close thereto) is output to the output terminal 47. .

[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 number generation circuit 1 is mounted on a substrate 11 to construct a semiconductor integrated circuit 10. As the substrate 11, a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate or a semi-insulating substrate, an insulating substrate having a semiconductor active layer on the surface, or the like can be used practically.

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 number generation circuit 1, a memory circuit (RAM) 13 capable of sequentially reading and writing, and a read-only memory A circuit (ROM) 14, an electrical nonvolatile memory circuit (EEPROM) 15, a cryptographic processing auxiliary calculation unit 16 and a calculation unit 17 are mounted. These circuits are connected to each other through the data bus 12.

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 power supply circuit 181, a reference power supply circuit 182, a reset circuit 183, a clock signal generation circuit 184, and an input / output interface circuit 185 are connected to the calculation unit 17. Note that these power supply circuits 181 and the like do not necessarily have to be mounted as a circuit on the substrate 11, and may be input from the outside as power supplies or signals.

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 number generation circuit 1 according to the first embodiment is a true random number, for hacking such as measuring the power consumption of the semiconductor integrated circuit 10 and reading the internal encryption key, It can be used for applications that disturb power consumption.

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 number generation circuit 1 according to the first embodiment, one of the noise signals output from the noise generation source 2 is directly input to the comparator 4 and the other is input to the comparator 4 through the low-pass filter 3. Since the noise signal is amplified based on the signal difference in the comparator 4 based on the signal difference, an amplifier circuit having a complicated structure that repeatedly amplifies a minute noise signal can be eliminated. Therefore, it is possible to provide the random number generation circuit 1 capable of realizing a reduction in size and an increase in the random number generation speed.

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 number generation circuit 1 can be reduced in size and increased in speed, it is possible to provide the semiconductor integrated circuit 10 capable of increasing the operation speed while improving the degree of integration.

(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 number generation circuit 1 according to the first embodiment.

[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 number generation circuit 1 according to the second embodiment includes an input circuit 5 between a noise generation source 2, a low-pass filter 3, and a comparator 4. When the noise source 2 and the low-pass filter 3 and the comparator 4 are directly connected, there is a possibility that a sufficient noise signal cannot be obtained from the noise source 2 due to the influence of the low-pass filter 3 and the comparator 4. The input circuit 5 can prevent such a phenomenon.

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 input circuit 5, the noise signal output from the noise generation source 2 is input to the control electrode through the input terminal 53, the first main electrode is connected to the power supply terminal 51, and the second main A transistor 55 having an electrode connected to the low-pass filter 3 and the comparator 4 through the output terminal 54 and a resistance element 56 having one end connected to the second main electrode of the transistor 55 and the other end connected to the reference power source 52 are provided. A series circuit of a transistor 55 and a resistance element 56 is used. In the second embodiment, the transistor 55 is a first channel conductivity type IGFET, that is, a p-channel conductivity type IGFET. Therefore, the control electrode is a gate electrode, the first main electrode is a source region, and the second main electrode is a drain region.

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 number generation circuit 1 and the semiconductor integrated circuit 10 according to the second embodiment, since the noise element 24 that generates a large noise signal is used for the noise generation source 2, the gain of the input circuit 5 is not necessary. The input circuit 5 can be reduced in size, and a sufficient noise signal can be generated from the noise generation source 2.

[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 input circuit 5, the noise signal output from the noise generating source 2 is input to the control electrode through the input terminal 53, the first main electrode is connected to the reference terminal 52, and the second main A transistor 57 having an electrode connected to the low-pass filter 3 and the comparator 4 through the output terminal 54 and a resistance element 56 having one end connected to the second main electrode of the transistor 57 and the other end connected to the power supply terminal 51 are provided. The transistor 57 and the resistance element 56 are configured in series. In the modification of the second embodiment, the transistor 57 uses a second channel conductivity type IGFET, that is, an n channel conductivity type IGFET. Therefore, the control electrode is a gate electrode, the first main electrode is a source region, and the second main electrode is a drain region.

(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 number generation circuit 1 according to the second embodiment.

[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 number generation circuit 1 according to the third embodiment includes a buffer 6 having an input terminal connected to the output terminal (47) of the comparator 4. In the comparator 4 shown in FIG. 6 described above, when there is not so much voltage difference between the signals input to the first input terminal 43 and the second input terminal 44, the voltage is distributed around the weak circuit sensitivity. The output voltage does not completely reach the high level or the low level. The buffer 6 can correct such a phenomenon.

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 input terminal 63 and an output terminal 64. The inverter is configured by a series circuit of a first channel conductivity type IGFET 65 and a second channel conductivity type IGFET 66 disposed between a power supply terminal 61 and a reference power supply 62. The first channel conductivity type IGFET 65 is a p-channel conductivity type IGFET, and the second channel conductivity type IGFET 66 is an n-channel conductivity type IGFET.

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 input terminal 63 can be shaped, and the random number signal can be extracted from the output terminal 64 as a digital signal.

(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 number generation circuit 1 according to the second embodiment includes a high-pass filter instead of the low-pass filter 3.

[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 number generation circuit 1 according to the fourth embodiment includes a noise generation source 2 that generates a noise signal, an input circuit 5, and a filter that extracts a part of the frequency band of the noise signal. And a comparator 4 for generating a random number signal obtained by amplifying a signal difference between a part of the frequency band of the noise signal and the reference signal. In the first embodiment, a high-pass filter 7 that extracts a high frequency band of a noise signal is used as the filter.

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 noise generation source 2 of the random number generation circuit 1, this noise signal is output. The noise signal is input to the high pass filter 7 through the input circuit 5, and the low frequency band of the noise signal is increased in the high pass filter 7. This noise signal is input to the input terminal of the comparator 4. In the fourth embodiment, the random number generation circuit 1 further includes a reference voltage generation circuit 8, and the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 8 is input to the input terminal of the comparator 4.

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 voltage generation circuit 8, but depending on the type of the operational amplifier used as the comparator 4, there is no sensitivity with respect to the magnitude of the voltage around the reference power supply. If the sensitivity is to be obtained, the circuit scale of the comparator 4 increases. In the fourth embodiment, the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 8 and used in the high-pass filter 7 and the comparator 4 is set to a value in the vicinity of the most sensitive voltage value of the comparator 4 for reference. The circuit scale of the voltage generation circuit 8 is reduced.

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 voltage generation circuit 8. In FIG. 15, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage or current. The low frequency component of the noise signal output from the noise generation source 2 is removed by passing through the high pass filter 7. The noise signal that has passed through the high-pass filter 7 becomes a noise signal that fluctuates around the reference voltage by appropriately selecting the cutoff frequency.

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 noise generation source 2 is random, the time when the voltage of the noise signal that has passed through the high-pass filter 7 is high is randomly distributed with respect to the reference voltage, and the time when the voltage is low is relative to the reference voltage. Distributed randomly. Therefore, the high level time and low level time of the random number signal output from the comparator 4 both have random fluctuations. As described above, this random number signal is latched at an appropriate clock to obtain a 1-bit random number output.

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 number generation circuit 1 and external influences. In such a case, it can be avoided by adjusting the reference voltage input to the comparator 7 to an appropriate value.

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 number generation circuit 1 according to the third embodiment is used as the comparator 4. May be disposed in the output stage.

[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 first electrode 731 is connected to the input terminal 71 and the second electrode 732 is connected to the output terminal 72, and a second of the capacitor 73. A resistor element 74 having one end connected between the electrode 732 and the output terminal 72 and having the other end connected to a power supply terminal (output terminal of the reference voltage generation circuit 8) 75 is provided.

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 output terminal 72 decreases by about 3 dB can be obtained by approximately 1 / (2πCR). Therefore, in the high-pass filter 7, the intensity of the noise signal input to the comparator 4 can be adjusted by adjusting the resistance value R of the resistance element 74 and the capacitance value C of the capacitor 73.

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 number generation circuit 1 and the semiconductor integrated circuit 10 according to the fourth embodiment configured as described above, the same effects as those obtained by the random number generation circuit 1 and the semiconductor integrated circuit 10 according to the second embodiment are obtained. An effect can be obtained.

(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 number generation circuit 1 according to the fourth embodiment.

[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 number generation circuit 1 according to the fifth embodiment includes a noise generation source 2 that generates a noise signal, a high-pass filter 7 that extracts a high frequency band of the noise signal, and noise. A delay circuit 9 that generates a reference signal obtained by delaying the high frequency band of the signal, and a comparator 4 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 are provided.

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 noise generation source 2 of the random number generation circuit 1, this noise signal is output. The noise signal is divided into two systems after passing through the input circuit 5 and the high-pass filter 7. In one system, the noise signal is directly input to the input terminal of the comparator 4. In the other system, the noise signal is input to the input terminal of the comparator 4 as a reference voltage through the delay circuit 9.

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 number generation circuit 1 and the semiconductor integrated circuit 10 according to the fifth embodiment configured as described above, the same effect as that obtained by the random number generation circuit 1 and the semiconductor integrated circuit 10 according to the second embodiment is obtained. An effect can be obtained.

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-pass filter 3 and the high-pass filter 7 constituting the random number generation circuit 1 are examples of circuit configurations, and the present invention is not particularly limited as long as it has a similar function. Absent. Further, according to the present invention, a resistor element, a capacitor, or the like is not particularly manufactured as an element, but a resistor element or a capacitor may be manufactured using a parasitic resistance or a parasitic capacitor of a wiring arranged on the semiconductor integrated circuit 10.

本発明の第1の実施の形態に係る乱数生成回路の回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram of a random number generation circuit according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す乱数生成回路のノイズ発生源及びローパスフィルタの出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the noise generation source and low-pass filter of the random number generation circuit shown in FIG. 図1に示す乱数生成回路のノイズ発生源の回路図である。It is a circuit diagram of the noise generation source of the random number generation circuit shown in FIG. 図3に示すノイズ発生源のノイズ素子の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the noise element of the noise generation source shown in FIG. 図3に示すノイズ発生源のノイズ素子の他の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows another example of the noise element of the noise generation source shown in FIG. 図1に示す乱数生成回路のローパスフィルタの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a low pass filter of the random number generation circuit shown in FIG. 1. 図1に示す乱数生成回路のコンパレータの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a comparator of the random number generation circuit shown in FIG. 1. 図1に示す乱数生成回路を搭載した半導体集積回路の機能回路ブロック図である。It is a functional circuit block diagram of the semiconductor integrated circuit carrying the random number generation circuit shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る乱数生成回路の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the random number generation circuit which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図9に示す乱数生成回路の入力回路の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of an input circuit of the random number generation circuit shown in FIG. 9. 図9に示す乱数生成回路の他の例を示す入力回路の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of an input circuit showing another example of the random number generation circuit shown in FIG. 9. 本発明の第3の実施の形態に係る乱数生成回路の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the random number generation circuit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図12に示す乱数生成回路のバッファの回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram of a buffer of the random number generation circuit shown in FIG. 12. 本発明の第4の実施の形態に係る乱数生成回路の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the random number generation circuit which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図14に示す乱数生成回路のハイパスフィルタ及び参照電圧発生回路の出力波形を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating output waveforms of a high-pass filter and a reference voltage generation circuit of the random number generation circuit illustrated in FIG. 14. 図14に示す乱数生成回路のハイパスフィルタの回路図である。It is a circuit diagram of the high pass filter of the random number generation circuit shown in FIG. 本発明の第5の実施の形態に係る乱数生成回路の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the random number generation circuit which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 図17に示す乱数生成回路のハイパスフィルタ及び遅延回路の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the high-pass filter and delay circuit of the random number generation circuit shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Random number generation circuit 2 Noise generation source 21 1st power supply terminal 22 2nd power supply terminal 23, 33, 56, 74 Resistance element 24 Noise element 25, 32, 47, 54, 64, 72 Output terminal 241 Electronic channel 242 Electron Traps 245, 341 First electrode 246 Insulating film 247, 342 Second electrode 3 Low pass filter 31, 53, 63, 71 Input terminal 34, 73 Capacitor 35, 42, 52, 62 Reference power supply 4 Comparator 41, 51, 61 Power supply terminal 43 First input terminal 44 Second input terminal 451 to 454, 65 First channel conductivity type IGFET
461-464, 66 Second channel conductivity type IGFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Input circuit 55, 57 Transistor 6 Buffer 7 High pass filter 8 Reference voltage generation circuit 9 Delay circuit 10 Semiconductor integrated circuit 11 Substrate 13-15 Memory circuit 16 Auxiliary operation part for encryption processing 17 Operation part

Claims (14)

ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、
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:
ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、
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:
ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、
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:
ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、
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:
前記ノイズ発生源から出力されるノイズ信号が制御電極に入力され、第1の主電極が第1の電源に接続され、第2の主電極が前記フィルタ及び前記コンパレータに接続されたトランジスタと、前記トランジスタの第2の主電極に一端が接続され、他端が第2の電源に接続された抵抗素子とを直列に接続した入力回路を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の乱数生成回路。 A noise signal output from the noise generation source is input to a control electrode, a first main electrode is connected to a first power source, a second main electrode is connected to the filter and the comparator, and the transistor 5. The circuit according to claim 1, further comprising an input circuit in which one end is connected to the second main electrode of the transistor and a resistance element having the other end connected to the second power source is connected in series. The random number generation circuit according to any one of the above. 前記コンパレータの出力端子に入力端子が接続されたバッファを更に備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の乱数生成回路。 The random number generation circuit according to claim 1, further comprising a buffer having an input terminal connected to an output terminal of the comparator. 前記ノイズ発生源は、電子チャネルと、前記電子チャネルの近傍に配設された、前記ノイズ信号を発生させる電子トラップとを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の乱数生成回路。 The said noise generation source is provided with the electronic channel and the electronic trap which is arrange | positioned in the vicinity of the said electronic channel, and generate | occur | produces the said noise signal. The random number generation circuit described. 前記ノイズ発生源は、第1の電極と、前記第1の電極上に配設され、疑似破壊によりノイズ信号を発生させる絶縁膜と、前記絶縁膜上の第2の電極とを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の乱数生成回路。 The noise generation source includes a first electrode, an insulating film disposed on the first electrode and generating a noise signal by pseudo breakdown, and a second electrode on the insulating film. The random number generation circuit according to claim 1, wherein: 前記ノイズ発生源は、前記乱数信号の出力周波数の平均電流値又は平均電圧値に対して、0.1%以上の揺らぎを有するノイズ信号を発生することを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の乱数生成回路。 The noise generation source generates a noise signal having a fluctuation of 0.1% or more with respect to an average current value or an average voltage value of an output frequency of the random number signal. The random number generation circuit described in 1. 前記ローパスフィルタは、その入力端子に一端が接続され、その出力端子に他端が接続された抵抗素子と、前記抵抗素子の他端と前記出力端子との間に第1の電極が接続され、電源に第2の電極が接続されたコンデンサとを備えたことを特徴とする請求項2、請求項5乃至請求項9のいずれかに記載の乱数生成回路。 The low-pass filter has a resistance element having one end connected to the input terminal and the other end connected to the output terminal, and a first electrode connected between the other end of the resistance element and the output terminal, 10. The random number generation circuit according to claim 2, further comprising a capacitor having a second electrode connected to a power source. 前記ハイパスフィルタは、その入力端子に第1の電極が接続され、その出力端子に第2の電極が接続されたコンデンサと、前記コンデンサの第2の電極と前記出力端子との間に一端が接続され、電源に他端が接続された抵抗素子とを備えたことを特徴とする請求項3乃至請求項9のいずれかに記載の乱数生成回路。 The high-pass filter has a first electrode connected to an input terminal thereof, a capacitor having a second electrode connected to an output terminal thereof, and one end connected between the second electrode of the capacitor and the output terminal. The random number generation circuit according to claim 3, further comprising: a resistance element having the other end connected to a power source. 前記コンパレータは、第1のチャネル導電型絶縁ゲート型電界効果トランジスタ及び第2のチャネル導電型絶縁ゲート型電界効果トランジスタとを備えた差動増幅器であることを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の乱数生成回路。 12. The differential amplifier comprising a first channel conduction type insulated gate field effect transistor and a second channel conduction type insulated gate field effect transistor. The random number generation circuit according to any one of the above. 前記バッファは、第1のチャネル導電型絶縁ゲート型電界効果トランジスタ及び第2のチャネル導電型絶縁ゲート型電界効果トランジスタとを備えたインバータであることを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の乱数生成回路。 13. The inverter according to claim 1, wherein the buffer is an inverter including a first channel conductivity type insulated gate field effect transistor and a second channel conductivity type insulated gate field effect transistor. The random number generation circuit described in the above. ノイズ信号を発生するノイズ発生源と、
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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