JP2021179779A - Random number generator and random number generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗素子を用いた乱数生成技術に関する。 The present invention relates to a random number generation technique using a magnetoresistive element.
近年、インターネットを通じての情報のやりとりが爆発的に多くなり、データの暗号化が必須の技術となっている。暗号化技術では、鍵の生成や鍵ペアの生成のために乱数が用いられる。乱数は、統計学的な偏りがないだけでなく、過去の乱数列から次のデータを予測できない性質や同じ乱数列を再現できない性質が求められる。このような性質を有する乱数は、乱数源として再現不可能な物理現象を用い、かつ生成した乱数が均一な分布を有するとみなされるものであり、真性物理乱数と呼ばれている。 In recent years, the exchange of information via the Internet has increased explosively, and data encryption has become an indispensable technology. In cryptography, random numbers are used to generate keys and key pairs. Random numbers are required not only to have no statistical bias, but also to have the property that the next data cannot be predicted from the past random number sequence and the property that the same random number sequence cannot be reproduced. Random numbers having such properties use a physical phenomenon that cannot be reproduced as a random number source, and the generated random numbers are considered to have a uniform distribution, and are called true physical random numbers.
乱数生成器に用いる物理現象として、磁気抵抗素子に、磁界、電流、電圧等の外場により確率的に磁化反転が起こる現象を用いることが提案されている。磁気抵抗素子は、磁化固定層、中間層および磁化自由層の3層からなるデバイスである。磁気抵抗素子は、外場により、磁化自由層の磁化の向きが変化し、磁化固定層の磁化の向きに対する方向に応じて抵抗値が変化する。 As a physical phenomenon used in a random number generator, it has been proposed to use a phenomenon in which magnetization reversal stochastically occurs in a magnetic resistance element due to an external field such as a magnetic field, current, or voltage. The magnetoresistive element is a device composed of three layers, a magnetization fixed layer, an intermediate layer, and a magnetization free layer. In the magnetoresistive element, the direction of magnetization of the magnetization free layer changes depending on the external field, and the resistance value changes according to the direction with respect to the direction of magnetization of the magnetization fixed layer.
電流磁化反転方式では、電流パルスを磁気抵抗素子に流して磁化自由層の磁化の向きを反転させる。具体的には、電流磁化反転では、電流から磁化自由層に角運動量が渡されるときに磁化自由層の磁化にトルクが働き、磁化反転が励起される。電流磁化反転方式では、電流から渡される角運動量が電流パルスの電流値とパルス幅の積に比例する(例えば、特許文献1参照。)。 In the current magnetization reversal method, a current pulse is passed through the magnetoresistive element to invert the direction of magnetization of the magnetization free layer. Specifically, in the current magnetization reversal, torque acts on the magnetization of the magnetization free layer when the angular momentum is passed from the current to the magnetization free layer, and the magnetization reversal is excited. In the current magnetization reversal method, the angular momentum passed from the current is proportional to the product of the current value of the current pulse and the pulse width (see, for example, Patent Document 1).
電圧磁化反転方式では、電圧パルスを磁気抵抗素子に印加して磁化自由層の磁化の向きを反転させる(例えば、特許文献2、非特許文献1参照。)。具体的には、電圧磁化反転方式では、磁気抵抗素子に印加した電圧パルスにより磁化自由層に電界が与えられることで磁化自由層の磁気異方性が減少し、磁化自由層の磁化の歳差運動が励起されることによって磁化反転が励起される。 In the voltage magnetization reversal method, a voltage pulse is applied to the magnetoresistive element to reverse the direction of magnetization of the magnetization free layer (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1). Specifically, in the voltage magnetization reversal method, the magnetic anisotropy of the magnetization free layer is reduced by applying an electric field to the magnetization free layer by the voltage pulse applied to the magnetic resistance element, and the magnetization age difference of the magnetization free layer is reduced. The excitation of the motion excites the magnetization reversal.
電流磁化反転方式では、電流パルスのパルス幅を短くするほど、磁化の反転に必要な電流値が大きくなるという問題があり、実用的な動作でのパルス幅は数十ナノ秒以上になり、高速な乱数生成器を実現することには限界があるという問題がある。 In the current magnetization reversal method, there is a problem that the shorter the pulse width of the current pulse, the larger the current value required for magnetization reversal. There is a problem that there is a limit to realizing a random number generator.
本発明の目的は、上述した問題を解決するもので、高速化が可能であり、高度に質の高い乱数列を生成可能な乱数生成器を提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a random number generator capable of increasing the speed and generating a highly high quality random number sequence.
本発明の一態様によれば、磁化自由層と、磁化固定層と、その磁化自由層とその磁化固定層との間にトンネル障壁層とが形成され、上記磁化自由層の磁化の向きと上記磁化固定層の磁化の向きとが平行状態または反平行状態であるかに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、上記磁気抵抗素子に電圧パルスを供給する手段と、上記電圧パルスを上記磁気抵抗素子へ供給する毎に上記抵抗値から上記平行状態または上記反平行状態を判別し、それに応じて‘0’または‘1’のビットを出力する判別手段と、上記判別手段によって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように上記電圧パルスの電圧振幅を調整する振幅調整手段と、上記振幅調整手段によって電圧振幅が調整された上記電圧パルスが上記磁気抵抗素子に供給され、その磁気抵抗素子の上記平行状態または上記反平行状態に応じて上記判別手段によって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成する生成手段と、を備える乱数生成器が提供される。 According to one aspect of the present invention, a magnetization free layer, a magnetization fixing layer, and a tunnel barrier layer are formed between the magnetization free layer and the magnetization fixing layer, and the direction of magnetization of the magnetization free layer and the above. A magnetic resistance element whose resistance value changes depending on whether the direction of magnetization of the magnetization fixed layer is parallel or antiparallel, a means for supplying a voltage pulse to the magnetic resistance element, and the magnetic pulse. Each time it is supplied to the resistance element, the parallel state or the antiparallel state is discriminated from the resistance value, and a discriminant means for outputting a bit of "0" or "1" according to the discriminant state, and a continuous output by the discriminating means. An amplitude adjusting means for adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse so that the appearance probability of a certain pattern in a bit string consisting of N bits (where N is an even number of 2 or more) is 1/2 N, and the above. The voltage pulse whose voltage amplitude has been adjusted by the amplitude adjusting means is supplied to the magnetic resistance element, and N consecutive pieces output by the discrimination means according to the parallel state or the antiparallel state of the magnetic resistance element. A randomizer generator comprising a generation means for generating a random number sequence based on a bit string consisting of bits is provided.
上記態様によれば、磁気抵抗素子での電圧磁化反転を用いるため高速化が可能となり、判別手段によって出力された連続するN個のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように、振幅調整手段によって電圧パルスの電圧振幅を調整して磁気抵抗素子に供給し、磁気抵抗素子の上記平行状態または上記反平行状態に応じて判別手段によって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて生成手段によって乱数列を生成することにより、高度に質の高い乱数列を生成可能な乱数生成器を提供できる。 According to the above aspect, since the voltage magnetization reversal in the magnetic resistance element is used, the speed can be increased, and the appearance probability of a certain pattern in the bit string consisting of continuous N bits output by the discriminating means is halved. The voltage amplitude of the voltage pulse is adjusted by the amplitude adjusting means so as to be N and supplied to the magnetic resistance element, and the continuous N output by the discriminating means according to the parallel state or the antiparallel state of the magnetic resistance element. By generating a random number sequence by a generation means based on a bit string consisting of a number of bits, it is possible to provide a random number generator capable of generating a highly high quality random number sequence.
本発明の他の態様によれば、磁化自由層とトンネル障壁層と磁化固定層とが積層され、その磁化自由層の磁化の向きとその磁化固定層の磁化の向きとが平行状態または反平行状態であるかに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子に電圧パルスを供給するステップと、上記電圧パルスを供給した後の上記抵抗値から上記平行状態または上記反平行状態を判別し、それに応じて‘0’または‘1’のビットを出力する判別ステップと、上記判別ステップによって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列が或るパターンの出現確率を1/2Nになるように上記電圧パルスの電圧振幅を調整する振幅調整ステップと、上記振幅調整ステップによって電圧振幅が調整された上記電圧パルスを上記磁気抵抗素子に供給し、その磁気抵抗素子の上記平行状態または上記反平行状態に応じて上記判別ステップによって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成する生成ステップと、を含む乱数生成方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, the magnetization free layer, the tunnel barrier layer, and the magnetization fixed layer are laminated, and the magnetization direction of the magnetization free layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer are parallel or antiparallel. The parallel state or the antiparallel state is discriminated from the step of supplying a voltage pulse to the magnetic resistance element whose resistance value changes depending on the state and the resistance value after supplying the voltage pulse, and correspondingly. The appearance probability of a pattern in which a bit string consisting of a discrimination step that outputs '0' or '1' bits and N consecutive bits (where N is an even number of 2 or more) output by the above discrimination step is a pattern. An amplitude adjusting step for adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse so as to be 1/2 N , and the voltage pulse whose voltage amplitude is adjusted by the amplitude adjusting step are supplied to the magnetic resistance element, and the magnetic resistance element is supplied. Provided is a generation method including a generation step of generating a random number sequence based on a bit string consisting of N consecutive bits output by the discrimination step according to the parallel state or the antiparallel state of the above.
上記態様によれば、磁気抵抗素子の電圧磁化反転を用いて磁化の平行状態および反平行状態を形成しているので高速化が可能であり、判別ステップによって出力された連続するN個のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように、振幅調整ステップによって電圧振幅が調整された電圧パルスを磁気抵抗素子に供給し、磁気抵抗素子の上記平行状態または上記反平行状態に応じて判別ステップによって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて生成ステップによって乱数列を生成することにより、高度に質の高い乱数列を生成可能な乱数生成方法を提供できる。 According to the above aspect, since the parallel state and the anti-parallel state of the magnetization are formed by using the voltage magnetization reversal of the magnetic resistance element, the speed can be increased, and the continuous N bits output by the discrimination step can be used. A voltage pulse whose voltage amplitude is adjusted by the amplitude adjustment step is supplied to the magnetic resistance element so that the appearance probability of a certain pattern in the bit string is 1/2 N, and the parallel state of the magnetic resistance element or the opposite of the magnetic resistance element. Provides a random number generation method that can generate a highly high quality random number sequence by generating a random number sequence by the generation step based on a bit string consisting of N consecutive bits output by the discrimination step according to the parallel state. can.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the elements common to the plurality of drawings, and the repetition of the detailed description of the elements will be omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る乱数生成器の概略構成図である。図1を参照するに、一実施形態に係る乱数生成器10は、磁気抵抗素子11と、磁気抵抗素子11に電圧パルスを生成して供給する電圧パルス供給部12と、磁気抵抗素子11に直流電圧バイアスを印加する直流電圧供給部13および抵抗器14と、抵抗器14が直流端子に接続され、電圧パルス供給部12の出力部が交流端子に接続され、磁気抵抗素子11に直流電圧バイアスを印加するとともに電圧パルスを供給するバイアス・ティー15と、磁気抵抗素子11の抵抗値に応じた分圧Vbpを増幅する増幅器16と、増幅された電圧値から磁気抵抗素子11の抵抗値を検出し、磁気抵抗素子11の磁化の平行および反平行状態を判別してそれに応じて‘0’または‘1’のビットを割当てる判別部18と、判別部18から出力された‘0’または‘1’の連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットが‘0’のみまたは‘1’のみになる出現確率を1/2Nの確率になるように電圧パルスの電圧振幅を調整する電圧パルス振幅調整部19と、電圧パルス振幅調整部20によって調整された電圧パルスが磁気抵抗素子11に供給され、磁化の平行状態および反平行状態に応じて判別部18から出力される‘0’または‘1’のビットに基づいて、乱数列を生成する乱数生成部20と、を有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a random number generator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the
図2は、本発明の一実施形態に係る乱数生成器の磁気抵抗素子の概略断面図である。図2を図1と合わせて参照するに、磁気抵抗素子11は、下部電極層21と上部電極層22との間に、磁化自由層23と磁化固定層24とこれらの間にトンネル障壁層25とが形成された積層体である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the magnetoresistive element of the random number generator according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, the
下部電極層21および上部電極層22は、Cu(銅)、Au(金)、アルミニウム(Al)等の金属層からなる。
The
磁化自由層23は、強磁性層からなり、例えばCoFeB層である。磁化自由層23の磁化は、積層方向(図2に示す。)に対して斜めを向いて図示されているが、積層方向に沿った向きでもよく、外部静磁界(例えば磁石)により、斜めを向いていてもよい。磁化自由層23の下地にバッファ層として例えばTa(タンタル)層を設けてもよい。
The magnetization
トンネル障壁層25は、磁化自由層23の上に形成され、酸化アルミニウム(Al−O)やMgOのような絶縁材料からなる。
The
磁化固定層24は、磁化の向きが固定された強磁性層、または積層フェリ(SAF)構造の強磁性層/中間層/強磁性層を有する。SAF構造は2つの強磁性層が反強磁性的に結合し、各々の磁化が反平行に向いている。中間層は薄膜の導電層である。磁化固定層24の磁化の向きはほぼ同じ方向で固定されている。磁化固定層24は、例えば、CoPt積層膜/Ru層/CoPt積層膜である。なお、磁化固定層24の上に導電材料からなるキャップ層(不図示)を形成してもよい。キャップ層は、例えば、Ta層/Ru層である。
The
磁化自由層23の磁化は、後述するように、磁気抵抗素子11への電圧パルス供給部12による電圧パルスの印加により向きが確率的に反転する。つまり、磁化自由層23の磁化は、電圧パルスの印加により、反転しない場合と、反転する場合がある。磁化自由層23の磁化と磁化固定層24の磁化の向きが平行状態であるか反平行状態であるかによって下部電極層21と上部電極層22との間の磁気抵抗素子11の電気抵抗値(以下、「抵抗値」とも称する。)が変化する。図2では、磁化自由層23の磁化の向きが斜め上と斜め下の向きが示されているが、積層方向に沿った成分が上向きか下向きかによって磁化固定層24の上向きに対して平行または反平行状態が形成される。
As will be described later, the direction of the magnetization of the magnetization
図1に戻り、直流電圧供給部13は、例えば、定電圧電源に接続され、磁気抵抗素子11に直流バイアス電圧を印加する。直流電圧供給部13の供給電圧Vspとする。抵抗器14の抵抗値Rと磁気抵抗素子11の抵抗値RMRとにより、供給電圧Vspの分圧VBP(ポイントBPにおける電圧)はVBP=RMR/(R+RMR)×Vspと表される(ただし、バイアス・ティー15の直流端子15a−出力端子15c間の内部抵抗値はRMRおよびRに対して極めて小さいので無視した。)。磁気抵抗素子11の磁化自由層23の磁化が平行状態か反平行状態かにより抵抗値RMRが変化し、それに応じて分圧VBPが変化する。
Returning to FIG. 1, the DC
電圧パルス供給部12は、電圧パルスを生成しバイアス・ティー15の交流端子を介して磁気抵抗素子11に供給する。磁気抵抗素子11に電圧パルスを印加することで、磁気抵抗素子11の磁化自由層23の磁化の向きを高速で反転することが可能となる。
The voltage
図3は、磁化自由層の磁化の反転確率と電圧パルス幅との関係を示す図である。P→AP(「●」で示す。)は磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化とが平行状態から反平行状態に変化する反転確率を示し、AP→P(「○」で示す。)はその逆に変化する場合の反転確率を示す。なお、電圧パルスの電圧振幅は、1.05Vに設定した。図3を参照するに、P→APおよびAP→Pの反転確率が各々0.5となるのは、電圧パルス幅が狭い側で0.2ns程度である。一方、電流パルスを磁気抵抗素子に注入して磁化反転させる方式では、電流パルス幅は数十ナノ秒以上が実用的である(特許文献1の図10参照。)。このことから、電圧パルスを用いる本実施形態の乱数生成器10は高速で乱数を生成可能である。電圧パルス供給部12は、例えばパルス生成回路を用いることができる。電圧パルス幅は、10ナノ秒以下に設定することが高速化が可能で、かつ磁化反転に十分なパルス幅である点で好ましい。電圧パルスの振幅(電圧値)は、電圧パルス振幅調整部19によって決定される。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the magnetization reversal probability of the magnetization free layer and the voltage pulse width. P → AP (indicated by “●”) indicates the inversion probability that the magnetization of the magnetization free layer and the magnetization of the magnetization fixed layer change from a parallel state to an antiparallel state, and AP → P (indicated by “◯”). Shows the reversal probability when it changes in the opposite direction. The voltage amplitude of the voltage pulse was set to 1.05V. With reference to FIG. 3, the inversion probabilities of P → AP and AP → P are each 0.5, which is about 0.2 ns on the side where the voltage pulse width is narrow. On the other hand, in the method of injecting a current pulse into a magnetoresistive element to invert the magnetization, it is practical that the current pulse width is several tens of nanoseconds or more (see FIG. 10 of Patent Document 1). Therefore, the
図1に戻り、バイアス・ティー15は、直流端子15aが抵抗器14および増幅器16の入力端子に接続され、交流端子15bが電圧パルス供給部12の出力部に接続され、出力端子15cが磁気抵抗素子11に接続される。バイアス・ティー15は、直流端子15aに入力される直流電圧に交流端子15bに入力される電圧パルスを重畳して、出力端子15cから磁気抵抗素子11に出力する。
Returning to FIG. 1, in the
磁気抵抗素子11は、一方の電極がバイアス・ティー15の出力端子15cに接続され、他方の電極がアースに接続(接地)される。
In the
増幅器16は、バイアス・ティー15の直流端子15aに入力部が接続され、出力部が判別部18に接続される。増幅器16は、磁気抵抗素子11の磁化の平行状態と反平行状態との抵抗値の違いによる分圧VBPの変化を増幅可能なアンプ、例えばローノイズアンプを用いることができる。例えば、磁化の平行状態の場合の入力が約100ミリボルト、磁化の反平行状態の場合の入力が120ミリボルトであるので、増幅器16は、この入力電圧を例えば10倍に増幅して、判別部18に出力する。
The
判別部18は、増幅器16からの入力電圧値に応じて、磁気抵抗素子11の磁化の平行状態と反平行状態とを判別する。判別部18は、例えば、増幅器16からの入力電圧値が、所定の閾値よりも低い場合は平行状態としてビット‘0’とし、所定の閾値よりも高い場合は反平行状態としてビット‘1’とする。所定の閾値は、磁気抵抗素子11の磁化の平行状態と反平行状態とを判別可能な電圧値を選択すればよい。判別部18の出力部は、電圧パルス振幅調整部19と乱数生成部20の各入力部に接続され、磁気抵抗素子11の磁化の平行状態と反平行状態とに応じたビット‘0’または‘1’を出力する。判別部18は、直流電圧測定器および電圧値を比較可能なコンパレータ等で構成する回路を用いることができ、パソコンを用いることもできる。
The discriminating
電圧パルス振幅調整部19は、判別部18の出力部からビット‘0’および‘1’を含むビット列が入力される。電圧パルス振幅調整部19は、連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nの確率になるように電圧パルスの電圧振幅を調整する。ここで、Nは、後述する乱数生成部20が乱数を生成する際の元となる連続するビットの数(すなわち、ビット列のビットの個数)である。
In the voltage pulse
電圧パルス振幅調整部19は、具体的には、連続するN個のビットからなるビット列をパターン毎にその頻度を計数する計数回路と、所定のビット列の個数毎(例えば、百万個毎)に或るパターンの出現確率を求め、予め取得した電圧パルスの電圧振幅とそのパターンの出現確率(あるいは頻度)との関係を示す電圧振幅−出現確率情報を格納するメモリと、そのメモリから電圧振幅−出現確率情報を読み出して或るパターンの出現確率を1/2Nの確率になるように電圧パルスの電圧振幅を決定する演算回路と、決定した電圧パルスの電圧振幅を電圧パルス供給部12に出力する出力回路を有する。なお、計数回路、演算回路および出力回路の図示を省略している。計数回路、演算回路および出力回路は、ハードウェアで構成してもよく、パソコンおよびソフトウェアを用いて構成してもよい。
Specifically, the voltage pulse
以下、N=2の例について説明する。本発明者らは、磁気抵抗素子11に印加する電圧パルスと次の電圧パルスとの時間を十分に長く(例えば、100n秒以上)とった場合、各々の電圧パルスによる磁化反転の事象は独立と見なせることに着目した。磁化が平行状態を‘0’、反平行状態を‘1’とすると、平行状態から反平行状態になる反転確率は、‘01’となる頻度と‘00’となる頻度との比で表される。すなわち、平行状態からの反転確率は(‘01’となる頻度)/(‘01’となる頻度+‘00’となる頻度)×100(%)で表される。反平行状態からの反転確率は、(‘10’となる頻度)/(‘10’となる頻度+‘11’となる頻度)×100(%)で表される。
Hereinafter, an example of N = 2 will be described. When the time between the voltage pulse applied to the
図4は、電圧パルスの電圧振幅と磁気抵抗素子11の磁化の平行状態および反平行状態から平行状態または反平行状態への状態変化の頻度との関係を示す図である。図4を参照するに、‘00’、‘01’、‘10’および‘11’となる頻度は、電圧パルスの電圧振幅を1.0325V(ボルト)から1.081Vの間で、各々、線形に変化しており、1.062Vでは、各々の事象の頻度がほぼ同じになっていることが分かる。従って、電圧パルス振幅調整部19は、ビット列‘00’、‘01’、‘10’および‘11’のうち或るパターンのビット列の出現確率が1/2N(N=2)、すなわち、1/4になるように、電圧パルス振幅調整部19は電圧パルスの電圧振幅を調節する。これにより、‘00’、‘01’、‘10’および‘11’のパターンが発生する確率が等しくなり易くなり、高品質の乱数を生成することができる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the voltage amplitude of the voltage pulse and the frequency of state changes from the parallel state and the antiparallel state to the parallel state or the antiparallel state of the magnetization of the
図1に戻り、乱数生成部20は、判別部18の出力部からビット‘0’および‘1’を含むビット列が入力される。このビット列は、電圧パルス振幅調整部19によって電圧パルスの電圧振幅が調整済みのビット列である。N=2の場合は、ビット列のパターンは‘00’、‘01’、‘10’および‘11’である。乱数生成部20は、連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成する。例えば、連続するN個のビットからなるビット列のうち、或るパターンのビット列に‘0’を、他のパターンのビット列に‘1’を割当てて乱数列を生成する。乱数生成部20は、ロジック回路等のハードウェア、パソコンおよびソフトウェアまたは両者を組み合わせて構成することができる。
Returning to FIG. 1, the random
電圧パルス振幅調整部19は、連続するN個のビットからなるビット列のパターンが‘0’のみまたは‘1’のみになる出現確率を1/2Nの確率になるように前記電圧パルスの電圧振幅を調整することが好ましい。N=2の場合は、ビット列‘00’、‘01’、‘10’および‘11’のうち‘00’または‘11’のビット列の出現確率が1/2N(N=2)、すなわち、1/4(25%)になるように、電圧パルスの電圧振幅を調節する。これにより、‘01’および‘10’の出現確率が同じになる傾向が強いので、乱数生成部20は、さらに高度に質の高い乱数列を生成可能である。これは以下に述べる実験結果から得られた。
The voltage pulse
図5は、電圧パルス振幅調整部が電圧パルスの電圧振幅の調整に使用したビット列に対する‘01’および‘10’の出現確率を示す図であり、(a)は‘10’の出現確率を25%になるように(b)は‘00’の出現確率を25%になるように電圧パルスの電圧振幅を調整した場合であり、1つのデータ点は、200万回の試行(横軸の1パケットに対応する。)から求めた‘01’(●で示す。)および‘10’(○で示す。)の出現確率である。 FIG. 5 is a diagram showing the appearance probabilities of '01' and '10' with respect to the bit string used by the voltage pulse amplitude adjusting unit for adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse, and FIG. 5A shows the appearance probabilities of '10' 25. (B) is the case where the voltage amplitude of the voltage pulse is adjusted so that the probability of appearance of '00' is 25%, and one data point is 2 million trials (1 on the horizontal axis). It is the appearance probability of '01' (indicated by ●) and '10' (indicated by ○) obtained from (corresponding to a packet).
図5を参照するに、(b)の‘00’の出現確率を25%になるように調整する場合の方が、(a)の‘10’の出現確率を25%になるように調整する場合の方よりも、‘01’の出現確率と‘10’の出現確率とがより揃っていることが分かる。 With reference to FIG. 5, in the case of adjusting the appearance probability of '00' in (b) to be 25%, the appearance probability of '10' in (a) is adjusted to be 25%. It can be seen that the appearance probability of '01' and the appearance probability of '10' are more uniform than in the case.
図6は、電圧パルス振幅調整部が電圧パルスの電圧振幅の調整に使用したビット列に対する‘01’および‘10’の出現確率のパケット毎の平均値を示すヒストグラムであり、図5(a)および(b)で示した試行結果における各々約800点のデータをヒストグラムで示した図である。図5(a)は‘10’の出現確率を25%になるように(b)は‘00’の出現確率を25%になるように電圧パルスの電圧振幅を調整した場合である。 FIG. 6 is a histogram showing the average value of the appearance probabilities of '01' and '10' for each packet with respect to the bit string used by the voltage pulse amplitude adjusting unit for adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse. FIG. 5A and FIG. It is a figure which showed the data of each about 800 points in the trial result shown in (b) by a histogram. FIG. 5A shows a case where the voltage amplitude of the voltage pulse is adjusted so that the appearance probability of '10' becomes 25%, and FIG. 5B shows a case where the appearance probability of '00' becomes 25%.
図6を参照するに、(a)および(b)は概ねガウス分布を示している。(a)の‘10’の出現確率を調整した場合は、分布の半値幅は0.08であり、(b)の‘00’の出現確率を調整した場合は、分布の半値幅は0.04である。データ1点が200万回の試行から得られたことと、ヒストグラムが約800点のデータと、大量のデータによる解析であることから、この2つの分布は統計的に有為な違いがあることが判断できる。すなわち、(b)の‘00’の出現確率を調整した場合の方が、(a)の‘10’の出現確率を調整した場合よりも、統計学的に分布が狭くなり、好ましいことが分かる。これらのことから、‘00’のビット列の出現確率を25%になるように、電圧パルスの電圧振幅を調節することが、‘10’のビット列の出現確率を25%になるように電圧パルスの電圧振幅を調節することよりも好ましいことが分かる。 With reference to FIG. 6, (a) and (b) generally show a Gaussian distribution. When the appearance probability of '10' in (a) is adjusted, the half width of the distribution is 0.08, and when the appearance probability of '00' in (b) is adjusted, the half width of the distribution is 0. It is 04. Since one point of data was obtained from 2 million trials, and the histogram is an analysis with about 800 points of data and a large amount of data, there is a statistically significant difference between these two distributions. Can be judged. That is, it can be seen that the case where the appearance probability of '00' in (b) is adjusted is statistically narrower than the case where the appearance probability of '10' in (a) is adjusted, which is preferable. .. From these facts, adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse so that the appearance probability of the bit string of '00' becomes 25% makes the appearance probability of the bit string of '10' 25%. It turns out that it is preferable to adjusting the voltage amplitude.
ここで、物理学的な視点から考察すると、電圧パルスの印加により磁化の向きが反転する確率と反転しない確率とは、その和は1という関係がある。磁化が反転しない場合である‘00’のビット列の生成の確率を電圧パルスの電圧振幅を調節に用いることは、同様に磁化が反転しない場合である‘11’のビット列の生成の確率を電圧パルスの電圧振幅を調節に用いることと1:1の対応関係がある。したがって、11’のビット列の生成の確率を電圧パルスの電圧振幅を調節に用いることとは、‘00’の場合と同様の効果が得られることが分かる。‘01’の場合は、同様の論理により‘10’の場合と同様の効果が得られる。よって、電圧パルス振幅調整部19は、‘00’または‘11’のビット列を用いて電圧パルスの電圧振幅を調節することが、‘01’または‘10’を用いる場合よりも好ましいことが分かる。これは一般化することができ、N個のビットからなるビット列が‘0’のみまたは‘1’のみのビット列の出現確率が1/2Nになるように、電圧パルスの電圧振幅を調節することが好ましい。
Here, from a physical point of view, there is a relationship that the sum of the probability that the direction of magnetization is reversed and the probability that the direction of magnetization is not reversed by the application of a voltage pulse is 1. Using the probability of generation of a bit string of '00' when the magnetization does not reverse is used to adjust the voltage amplitude of the voltage pulse, as well as the probability of generation of a bit string of '11' when the magnetization does not reverse is a voltage pulse. There is a 1: 1 correspondence with using the voltage amplitude of. Therefore, it can be seen that using the probability of generating the bit string of 11'for adjusting the voltage amplitude of the voltage pulse has the same effect as in the case of '00'. In the case of '01', the same effect as in the case of '10' can be obtained by the same logic. Therefore, it can be seen that it is preferable for the voltage pulse
乱数生成部20は、判別部18の出力部から入力される連続するN個のビットが0および1が交番するビット列に対して‘0’または‘1’を割当てて乱数を生成することが特に好ましい。例えば、N=2の場合について説明する。乱数生成部20は、入力されるビット列が、‘0’および‘1’が交番するビット列である‘01’の場合に‘0’を割当て、もう一方の0および1が交番するビット列である‘10’の場合に‘1’を割当てて乱数を生成する。なお、乱数生成部20は、入力されるビット列が、‘0’および‘1’が交番しない‘00’および‘11’の場合はビットの割当てを行わない。
In particular, the random
具体的には、‘0’の生成確率が0.5+δのとき、‘1’の生成確率は0.5−δとなる。ここで、δは0.5からのずれを表す。この場合、‘0’および‘1’が交番するビット列である‘01’および‘10’の生成確率は、いずれも0.25−δ2となり、互いに等しくなる。したがって、N=2の場合、乱数生成部20は、‘0’および‘1’が交番するビット列である‘01’および‘01’から‘0’または‘1’を割当てて乱数を生成することが特に好ましい。
Specifically, when the generation probability of '0' is 0.5 + δ, the generation probability of '1' is 0.5-δ. Here, δ represents a deviation from 0.5. In this case, the generation probabilities of '01' and '10', which are bit strings in which '0' and '1' are alternated, are both 0.25-δ 2 and are equal to each other. Therefore, when N = 2, the
図7は、乱数生成部が判別部の出力部から入力される連続する2個のビットが0および1が交番するビット列‘01’および‘10’から‘0’または‘1’を割当てて乱数を生成した場合の‘0’および‘1’の生成確率のパケット毎の平均値を示すヒストグラムであり、(b)は(a)の横軸を拡大した図である。1パケットは、2ビットを1ビットに読み替えているので、50万個のビット数となる。 In FIG. 7, the random number generation unit assigns a random number from the bit strings '01' and '10' to '0' or '1' in which two consecutive bits input from the output unit of the discrimination unit alternate between 0 and 1. It is a histogram showing the average value for each packet of the generation probability of '0' and' 1'in the case of generating, and (b) is the figure which enlarged the horizontal axis of (a). Since 2 bits are read as 1 bit in 1 packet, the number of bits is 500,000.
図7(a)および(b)を参照するに、分布の半値幅は0.002となり、図5(b)の乱数生成部がこの割り当て手法を用いない場合の0.04に対して1/20に減少していることが分かった。図6(b)に二項分布の曲線(BNで図示する)を当てはめてみると、生成した乱数のヒストグラムが二項分布の形状および半値幅とよく一致していることが分かる。統計学的には、真性物理乱数は二項分布と同様な統計量を持つとされている。したがって、乱数生成部20により、より高品質で理想的な二値乱数を生成できたことが分かる。
With reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b), the full width at half maximum of the distribution is 0.002, which is 1 / of 0.04 when the random number generator in FIG. 5 (b) does not use this allocation method. It turned out to be reduced to 20. When the curve of the binomial distribution (illustrated by BN) is applied to FIG. 6 (b), it can be seen that the histogram of the generated random numbers is in good agreement with the shape and half width of the binomial distribution. Statistically, true physical random numbers are said to have statistics similar to the binomial distribution. Therefore, it can be seen that the random
なお、図3〜図7のデータは、以下の構成の乱数生成器を用いて実験から得られた。磁気抵抗素子11は、下部電極層21:厚さ100nmのCu層、バッファ層:厚さ10nmのTa層、磁化自由層23:厚さ1.1nmのCoFeB層、トンネル障壁層25:厚さ1.4nmのMgO層、磁化固定層24:SAF構造を有し厚さ2.4nmのCoPt積層膜/厚さ0.9nmのRu層/厚さ1.3nmのCoPt積層膜、キャップ層:厚さ5nmのTa層/厚さ7nmのRu層、上部電極層22:厚さ5nmのCr層/厚さ200nmのAu層とした。磁気抵抗素子11は、熱酸化シリコン基板上にスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィー法および電子線リソグラフィー法により、直径80nm〜100nmの円柱状に加工した。
The data of FIGS. 3 to 7 were obtained from experiments using a random number generator having the following configuration. The
電圧パルス供給部12のパルス生成回路には、キーサイト社のモデルM8195Aを用い、バイアス・ティー15は、ピコセコンド・パルスラボ社のモデル5542を用いた。直流電圧供給部13は200mVに設定し、抵抗器14は100kΩとした。増幅器16には、米国スタンフォード・リサーチ・システム社の低ノイズ電圧プリアンプモデルSR560を用い、増幅率を10倍に設定した。判別部18は、米国キーサイト・テクノロジー社のデジタルマルチメータ33465Aとパソコンで構成した。デジタルマルチメータで増幅器16の電圧値を計測し、パソコンで閾値を1.1Vに設定して磁気抵抗素子11の平行状態および反平行状態を判別し、ソフトウェアにより‘0’または‘1’のビットを割当てた。電圧パルス振幅調整部19および乱数生成部20はパソコンおよびソフトウェアにより構成した。
A model M8195A manufactured by Keysight Co., Ltd. was used for the pulse generation circuit of the voltage
本実施形態の乱数生成器10によれば、判別部18によって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように、パルス振幅調整部19によって電圧パルスの電圧振幅を調整して磁気抵抗素子11に供給し、判別部18によって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数生成部20によって乱数列を生成することにより、高度に質の高い乱数列を生成可能である。
According to the
図8は、本発明の一実施形態に係る乱数生成方法のフローチャートである。図8を図1および図2と合わせて参照しつつ、乱数生成方法を説明する。 FIG. 8 is a flowchart of a random number generation method according to an embodiment of the present invention. A random number generation method will be described with reference to FIG. 8 together with FIGS. 1 and 2.
最初に、ステップS100では、電圧パルス供給部12により磁気抵抗素子11に電圧パルスを供給する。具体的には、直流電圧供給部13によりバイアス電圧(例えば、200mV)を設定し、抵抗器14(例えば100kΩ)およびバイアス・ティー15(直流端子による入力)を介して、磁気抵抗素子11に分圧Vbpを印加しつつ、電圧パルス供給部12により電圧パルス(パルス幅が例えば、0.1ns(ナノ秒)〜数ns、電圧振幅が例えば1.06V)を1つ印加する。電圧パルスの印加によって磁化自由層23の磁化が反転し、あるいは反転せず、結果として、磁化自由層23の磁化と固定磁化層24の磁化の向きが平行状態であるか反平行状態であるかに応じて磁気抵抗素子11の抵抗値が決まる。抵抗値は、平行状態が反平行状態よりも低く、例えば、それぞれ100kΩ、150kΩである。
First, in step S100, a voltage pulse is supplied to the
次いで、ステップS110では、判別部18により電圧パルスを供給した後の磁気抵抗素子の抵抗値を検出して磁気抵抗素子11の平行状態および反平行状態を判別し、‘0’または‘1’のビットを割当てる。具体的には、判別部18により磁気抵抗素子11に印加される分圧Vbpから磁気抵抗素子11の平行状態および反平行状態の場合の抵抗値を検出する。分圧Vbpは、平行状態および反平行状態の場合、例えば、それぞれ100mV、120mVである。増幅器16に分圧Vbpが入力され、増幅器16により増幅された出力が判別部18に入力される。判別部18は所定の閾値電圧に対する入力電圧の大小により磁気抵抗素子11の平行状態および反平行状態を判別し、例えば、平行状態の場合に‘0’、反平行状態に‘1’を割当てる。
Next, in step S110, the resistance value of the magnetoresistive element after the voltage pulse is supplied by the
次いで、ステップS120では、電圧パルス振幅調整部19により、連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を求める。これにより、先の図3を例に示したように、ビット列の各パターン、例えばN=2の場合‘00’、‘01’、‘10’および‘11’の各パターンが発生する確率が等しくなり易くなり、高品質の乱数を生成することができる。
Next, in step S120, the voltage pulse
ビット列のパターンは、適宜選択できるが、‘0’のみまたは‘1’のみになる場合が好ましい。例えば、N=2の場合、ビット列のパターンは、‘00’または‘11’が、‘01’または‘10’よりも、先の図4および図5で説明したのと同じ観点から好ましい。 The pattern of the bit string can be appropriately selected, but it is preferably only '0' or only '1'. For example, when N = 2, the pattern of the bit string is preferred from the same point of view that '00' or '11' is better than '01' or '10' as described above in FIGS. 4 and 5.
次いで、ステップS130では、電圧パルス振幅調整部19により、ステップS120で得られた連続するN個のビットからなるビット列の或るパターンの出現確率を1/2Nになるように電圧パルスの電圧振幅を調整する。具体的には、電圧パルス振幅調整部19により、予め先の図3に示すような電圧パルス振幅Vpulseと頻度(または出現確率)との関係を示す電圧振幅−出現確率情報を取得して電圧パルス振幅調整部19に格納しておき、電圧振幅−出現確率情報とステップS120で得られた或るパターンの出現確率とに応じて出現確率が1/2Nになるように電圧パルスの電圧振幅を増減する。
Next, in step S130, the voltage pulse
次いで、ステップS100に戻り、電圧パルス供給部12によりステップS130により調整された電圧パルスを磁気抵抗素子11に印加して、S110では、判別部18により電圧パルスを供給した後の磁気抵抗素子11の抵抗値を検出して磁気抵抗素子11の平行状態および反平行状態を判別し、‘0’または‘1’のビットを割当てる。
Next, returning to step S100, the voltage pulse adjusted by step S130 by the voltage
次いで、ステップS140では、乱数生成部20により、S110における判別部18によって出力される‘0’または‘1’のビットに基づいて、乱数列を生成する。具体的には、判別部18から入力される‘0’または‘1’のビットを含むN個のビットからなるビット列に対して、‘0’または‘1’を割当てて乱数列を生成する。例えば、判別部18から入力される‘0’および‘1’のビットを各々0’および‘1’と割り当てて乱数として出力してもよい。
Next, in step S140, the random
ステップS140では、乱数生成部20により、S110における判別部18によって出力される連続するN個のビットの全てが‘0’および‘1’が交番するビット列に対して‘0’または‘1’を割当てて乱数を生成することが特に好ましい。例えば、N=2の場合は、乱数生成部20は入力される‘01’および‘10’から各々‘0’、‘1’を割当てて乱数を生成する。先の図6において示したように、より高品質で理想的な二値乱数を生成できる。N=4の場合は、乱数生成部20は入力される‘0101’および‘1010’から各々‘0’、‘1’を割当てて乱数を生成する。なお、入力されるビット列がN個のビットの全てが‘0’および‘1’が交番するビット列以外のビット列に対してはビットの割当てを行わない。
In step S140, the random
本実施形態の乱数生成方法によれば、磁気抵抗素子11に供給する電圧パルスを判別部18によって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように電圧パルスの電圧振幅を調整して電圧パルスを磁気抵抗素子11に供給し、磁気抵抗素子11の磁化の向きの平行状態または反平行状態に応じて判別部18によって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成することにより、高度に質の高い乱数列を生成可能である。
According to the random number generation method of the present embodiment, the voltage pulse supplied to the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It is possible.
10 乱数生成器
11 磁気抵抗素子
12 電圧パルス供給部
18 判別部
19 電圧パルス振幅調整部
20 乱数生成部
23 磁化自由層
24 磁化固定層
25 トンネル障壁層
10
Claims (10)
前記磁気抵抗素子に電圧パルスを供給する手段と、
前記電圧パルスを前記磁気抵抗素子へ供給する毎に前記抵抗値から前記平行状態または前記反平行状態を判別し、それに応じて‘0’または‘1’のビットを出力する判別手段と、
前記判別手段によって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列のうち或るパターンの出現確率を1/2Nになるように前記電圧パルスの電圧振幅を調整する振幅調整手段と、
前記振幅調整手段によって電圧振幅が調整された前記電圧パルスが前記磁気抵抗素子に供給され、該磁気抵抗素子の前記平行状態または前記反平行状態に応じて前記判別手段によって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成する生成手段と、
を備える乱数生成器。 A free magnetization layer, a fixed magnetization layer, and a tunnel barrier layer are formed between the free magnetization layer and the fixed magnetization layer, and the direction of magnetization of the free magnetization layer and the direction of magnetization of the fixed magnetization layer are determined. A magnetic resistance element whose resistance value changes depending on whether it is in a parallel state or an antiparallel state, and
A means for supplying a voltage pulse to the magnetoresistive element and
Each time the voltage pulse is supplied to the magnetoresistive element, the parallel state or the antiparallel state is discriminated from the resistance value, and a bit of '0' or '1' is output according to the discriminating means.
The voltage amplitude of the voltage pulse such that the probability of occurrence of a pattern to 1/2 N of the bit sequence consisting of bits of N consecutive output by said determination means (where N is an even number of 2 or more.) Amplitude adjustment means to adjust and
The voltage pulse whose voltage amplitude is adjusted by the amplitude adjusting means is supplied to the magnetoresistive element, and N consecutive pieces output by the discriminating means according to the parallel state or the antiparallel state of the magnetoresistive element. A generation method that generates a random number sequence based on a bit string consisting of the bits of
Random number generator with.
前記振幅調整手段は、‘00’または‘11’の場合の出現確率を1/4に調整し、
前記判別手段から出力された‘01’または‘10’のビット列に対して前記生成手段がその一方に‘0’、他方に‘1’を割当てて乱数を生成する、請求項3記載の乱数生成器。 The N is 2,
The amplitude adjusting means adjusts the appearance probability in the case of '00' or '11' to 1/4, and adjusts the appearance probability to 1/4.
The random number generation according to claim 3, wherein the generation means assigns "0" to one of the bit strings of "01" or "10" output from the determination means and "1" to the other to generate a random number. vessel.
前記電圧パルスを供給した後の前記抵抗値から前記平行状態または前記反平行状態を判別し、それに応じて‘0’または‘1’のビットを出力する判別ステップと、
前記判別ステップによって出力された連続するN個(ただしNは2以上の偶数。)のビットからなるビット列が或るパターンの出現確率を1/2Nになるように前記電圧パルスの電圧振幅を調整する振幅調整ステップと、
前記振幅調整ステップによって電圧振幅が調整された前記電圧パルスを前記磁気抵抗素子に供給し、該磁気抵抗素子の前記平行状態または前記反平行状態に応じて前記判別ステップによって出力された連続するN個のビットからなるビット列に基づいて乱数列を生成する生成ステップと、
を含む乱数生成方法。 The magnetization free layer, the tunnel barrier layer, and the magnetization fixed layer are laminated, and the resistance value is determined depending on whether the magnetization direction of the magnetization free layer and the magnetization direction of the magnetization fixed layer are in a parallel state or an antiparallel state. The step of supplying a voltage pulse to the changing magnetoresistive element,
A discrimination step of discriminating the parallel state or the antiparallel state from the resistance value after supplying the voltage pulse, and outputting a bit of "0" or "1" according to the discrimination step.
The voltage amplitude of the voltage pulse is adjusted so that the bit string consisting of N consecutive bits (where N is an even number of 2 or more) output by the discrimination step reduces the appearance probability of a certain pattern to 1/2 N. Amplitude adjustment step and
The voltage pulse whose voltage amplitude is adjusted by the amplitude adjustment step is supplied to the magnetoresistive element, and N consecutive elements output by the discrimination step according to the parallel state or the antiparallel state of the magnetoresistive element. A generation step that generates a random sequence based on a bit string consisting of the bits of
Random number generation method including.
In the generation step, all the bits of the bit string consisting of N consecutive bits output from the discrimination step are allotted '0' or '1' to the bit string in which '0' and '1' are alternated. The random number generation method according to claim 8 or 9, wherein a random number is generated.
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