JP4107196B2 - Physical random number generator and physical random number generator - Google Patents
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Description
本発明は、各種の用途に用いるに好適な物理乱数発生器および物理乱数発生装置に関するものであり、その具体的な用途としては、セキュリティー、暗号、認証、施錠、暗号化通信、スマートカード(例えば、電子マネー、クレジットカード、診察券)、ホームセキュリティー、カーセキュリティー、キーレスエントリー、確率、抽選、ゲーム、アミューズメント(例えば、パチンコ、パチスロ)、シミュレーション(例えば、気象・学術計算・株価におけるモンテカルロ)、グラフィックス(例えば、CG、自動作曲)、制御、計測、FA、ロボット制御(人工知能)などが挙げられる。 The present invention relates to a physical random number generator and a physical random number generator suitable for use in various applications. Specific examples of the application include security, encryption, authentication, locking, encrypted communication, smart card (for example, , Electronic money, credit card, examination ticket), home security, car security, keyless entry, probability, lottery, game, amusement (eg, pachinko, pachislot), simulation (eg, Monte Carlo in weather, academic calculation, stock price), graphics (For example, CG, automatic music), control, measurement, FA, robot control (artificial intelligence), and the like.
従来この種の物理乱数発生装置としては、例えば特許文献1に開示されているように、2個のディレーおよびセレクター等からなる位相調整部と、フリップ・フロップと、フィードバック回路とから構成される物理乱数発生器を備えたものが知られている。
しかし、これでは、フリップ・フロップのクロック端子とデータ端子に入力される2系統の信号ラインに応じた2個のディレーおよびセレクターが必要となるので、位相調整部、ひいては物理乱数発生器の規模が大きくなり、その占有面積が拡大するばかりか、その消費電力が増大するという不都合があった。特に、物理乱数発生器がCPU(中央演算処理装置)、ROM(読取り専用記憶装置)、RAM(読取り書込み記憶装置)などの多くの機能とIC(集積回路)内に混載される場合には、この物理乱数発生器の占有面積をできる限り縮小することが強く望まれる。 However, this requires two delays and selectors corresponding to the two signal lines input to the clock terminal and the data terminal of the flip-flop, so that the scale of the phase adjustment unit, and hence the physical random number generator, is increased. In addition to an increase in the area occupied, the power consumption increases. In particular, when a physical random number generator is incorporated in many functions such as CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Storage Device), RAM (Read / Write Storage Device) and IC (Integrated Circuit), It is strongly desired to reduce the area occupied by the physical random number generator as much as possible.
本発明は、このような事情に鑑み、占有面積が小さくて消費電力が少ない物理乱数発生器と、この物理乱数発生器が組み込まれた物理乱数発生装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a physical random number generator with a small occupation area and low power consumption, and a physical random number generator incorporating the physical random number generator.
まず、本発明のうち請求項1に係る発明は、抵抗およびキャパシタでクロック信号を積分して積分波形を出力する積分回路と、ノイズ源と、このノイズ源のノイズを増幅してノイズ信号を出力するアンプと、前記積分波形と前記ノイズ信号とをミキシングするミキサーと、このミキサーの出力波形に基づいて生成されるジッターの最初のエッジを検出するエッジ検出回路とを2個ずつ備え、前記各エッジ検出回路の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するフリップ・フロップを備え、前記各積分回路に入力される入力信号の位相を調整するディレー、第1セレクターおよびアップ/ダウンカウンターからなる位相調整部を備え、前記フリップ・フロップから出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するように当該フリップ・フロップの出力を前記位相調整部にフィードバックするフィードバック回路を備えた物理乱数発生器において、前記各積分回路の前段にそれぞれ第2セレクターおよび第3セレクターを設け、前記アップ/ダウンカウンターの最上位ビットによって前記第1セレクターと前記第2セレクターおよび前記第3セレクターとの入力の極性切換を行う極性切換回路を設けて構成される。
First, the invention according to
また、本発明のうち請求項2に係る発明は、抵抗およびキャパシタでクロック信号を積分して積分波形を出力する積分回路を1つ備え、ノイズ源と、このノイズ源のノイズを増幅してノイズ信号を出力するアンプと、前記積分波形と前記ノイズ信号とをミキシングするミキサーと、このミキサーの出力波形に基づいて生成されるジッターの最初のエッジを検出するエッジ検出回路とを2個ずつ備え、前記各エッジ検出回路の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するフリップ・フロップを備えた物理乱数発生器において、前記フリップ・フロップに入力される入力信号の位相を調整するディレーとセレクターからなる可変ディレーを前記各エッジ検出回路の前段または後段に設け、前記フリップ・フロップから出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するように当該フリップ・フロップの出力を前記可変ディレーにフィードバックするフィードバック回路を設けて構成される。
The invention according to
また、本発明のうち請求項3に係る発明は、前記積分回路の抵抗の後段にFETを当該積分回路のキャパシタと並列に付加して構成される。 According to a third aspect of the present invention, an FET is added in parallel with the capacitor of the integration circuit in the subsequent stage of the resistance of the integration circuit.
また、本発明のうち請求項4に係る発明は、前記積分回路の抵抗に代えて定電流回路を設けて構成される。 According to a fourth aspect of the present invention, a constant current circuit is provided in place of the resistor of the integrating circuit.
さらに、本発明のうち請求項5に係る発明は、上記物理乱数発生器を2個以上並列接続し、前記各物理乱数発生器に入力されたパラレル物理乱数をシリアル物理乱数に並べ替えて出力するようにして構成される。
Furthermore, in the invention according to
本発明のうち請求項1に係る発明によれば、ディレーおよび第1セレクターを半分にしてゲート数を削減することができるので、物理乱数発生器の規模を小さくして占有面積を縮小するとともに、その消費電力を低減することが可能となる。
According to the invention according to
また、本発明のうち請求項2に係る発明によれば、2系統の信号ラインについて積分回路が1つで済むことに加えて、積分回路を構成する抵抗、キャパシタの誤差による位相調整範囲を狭めることができるため、可変ディレーを縮小し、ゲート数を削減することができることから、物理乱数発生器の規模を小さくして占有面積を縮小するとともに、その消費電力を低減することが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, only one integrating circuit is required for the two signal lines, and the phase adjustment range due to errors in the resistors and capacitors constituting the integrating circuit is narrowed. Therefore, since the variable delay can be reduced and the number of gates can be reduced, the physical random number generator can be reduced in size to reduce the occupied area and reduce the power consumption.
また、本発明のうち請求項3に係る発明によれば、積分回路のキャパシタに充電された電荷を放電して電位を積分波形の基点に戻すことにより、積分波形の基点、ひいてはジッターの分布を安定させ、良質な乱数を生成することができる。また、積分回路のキャパシタに充電された電荷が高速に放電され、電位も高速に積分波形の基点に戻るため、乱数生成までの待ち時間が短縮されることに加え、乱数生成後に波形の電位が上がりきるのを待たずして強制的に基点まで電位を下げることができるので、さらなる時間短縮が可能となることから、乱数生成スピードを大幅に高速化することができる。
According to the invention of
また、本発明のうち請求項4に係る発明によれば、積分回路を構成するキャパシタの充電時の積分波形が直線となり、ノイズに対して変調したジッターの歪みがなくなるため、乱数の質を向上させることができる。 Further, according to the invention according to claim 4 of the present invention, the integral waveform at the time of charging of the capacitor constituting the integrating circuit becomes a straight line, and the distortion of jitter modulated with respect to noise is eliminated, so that the quality of random numbers is improved. Can be made.
さらに、本発明のうち請求項5に係る発明によれば、複数個の物理乱数発生器からなる物理乱数発生装置の乱数の質を向上させることができる。 Furthermore, according to the fifth aspect of the present invention, the quality of the random number of the physical random number generator comprising a plurality of physical random number generators can be improved.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は本発明に係る物理乱数発生器の第1の実施形態を示す回路図、
図2は図1に示す物理乱数発生器のエッジ検出回路の詳細を示す回路図、
図3は図1に示す物理乱数発生器の動作波形を示す図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a physical random number generator according to the present invention,
2 is a circuit diagram showing details of an edge detection circuit of the physical random number generator shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing operation waveforms of the physical random number generator shown in FIG.
この物理乱数発生器1においては、図1および図3に示すように、抵抗Rおよびキャパシタ(コンデンサ)Cでクロック信号を積分して積分波形を出力する積分回路5と、ノイズ源6と、このノイズ源6のノイズを増幅してノイズ信号を出力するアンプ7と、積分波形とノイズ信号とをミキシングするミキサー8と、このミキサー8の出力波形に基づいて生成されるジッターの最初のエッジを検出するエッジ検出回路9とが2個ずつ設けられている。各エッジ検出回路9は、図2に示すような回路構成となっており、これらのエッジ検出回路9の後段には、図1に示すように、各エッジ検出回路9の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するDタイプのフリップ・フロップ10が設けられている。さらに、フリップ・フロップ10の後段には、乱数をクロック信号に同期させるDタイプのフリップ・フロップ11が設けられている。
In this physical
また、物理乱数発生器1の最前段には、各積分回路5に入力される入力信号の位相を調整する位相調整部2が設けられており、この位相調整部2はディレー21、第1セレクター22およびアップ/ダウンカウンター23から構成されている。
In addition, a
また、フリップ・フロップ11の出力とアップ/ダウンカウンター23との間にはフィードバック回路3が設けられており、フリップ・フロップ11から出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するようにフリップ・フロップ11の出力が位相調整部2にフィードバックされる。すなわち、フィードバック回路3は第1カウンター31、比較器32、第2カウンター33、レジスター34、比較器35、シフトレジスター/レジスター36、加算器37から構成されており、第1カウンター31および比較器32はフィードバックの周期を乱数(2×m)で生成する。また、第2カウンター33、レジスター34および比較器35はフィードバックの周期(2×m)中の“0”または“1”の数をカウント(n)し、比較データをアップ/ダウンカウンター23に出力して乱数の一様性を補正するフィードバック信号を出力する。さらに、シフトレジスター/レジスター36および加算器37は、フィードバックの周期を決める乱数(m)を出力(OUT)より取得する。これにより、フィードバック周期による乱数の質の低下(癖)を防ぐことができる。
Further, a
さらに、位相調整部2と各積分回路5との間にはそれぞれ第2セレクター15および第3セレクター16が設けられているとともに、第1セレクター22とアップ/ダウンカウンター23との間には極性切換回路13が設けられており、表1に示すように、アップ/ダウンカウンター23の最上位ビットMSBによって第1セレクター22と第2セレクター15および第3セレクター16との入力の極性切換が行われる。
Further, a
したがって、2系統の信号ラインに応じた2個のディレーおよびセレクターを必要とする従来の物理乱数発生器と比べて、ディレー21および第1セレクター22を半分にしてゲート数を削減することができるので、物理乱数発生器1の規模を小さくして占有面積を縮小し、その消費電力を低減することが可能となる。
Therefore, compared to a conventional physical random number generator that requires two delays and selectors corresponding to two signal lines, the number of gates can be reduced by halving the
<第2の実施形態>
図4は本発明に係る物理乱数発生器の第2の実施形態を示す回路図である。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a circuit diagram showing a second embodiment of the physical random number generator according to the present invention.
この物理乱数発生器1においては、図4に示すように、抵抗RおよびキャパシタCでクロック信号を積分して積分波形を出力する積分回路5が1つ設けられているとともに、ノイズ源6と、このノイズ源6のノイズを増幅してノイズ信号を出力するアンプ7と、積分波形とノイズ信号とをミキシングするミキサー8と、このミキサー8の出力波形に基づいて生成されるジッターの最初のエッジを検出するエッジ検出回路9とが2個ずつ設けられている。これらのエッジ検出回路9の後段には、各エッジ検出回路9の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するDタイプのフリップ・フロップ10が設けられており、フリップ・フロップ10の後段には、乱数をクロック信号に同期させるDタイプのフリップ・フロップ11が設けられている。
In this physical
また、フリップ・フロップ10と各エッジ検出回路9との間(各エッジ検出回路9の後段)にはそれぞれ、ディレーとセレクターからなる可変ディレー19が設けられており、フリップ・フロップ10に入力される入力信号の位相を調整することができる。
A
さらに、フリップ・フロップ11の出力とアップ/ダウンカウンター23との間にはフィードバック回路3が設けられており、フリップ・フロップ11から出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するようにフリップ・フロップ11の出力が可変ディレー19にフィードバックされる。
Further, a
したがって、2系統の信号ラインについて積分回路5が1つで済むことに加えて、積分回路5を構成する抵抗R、キャパシタCの誤差による位相調整範囲を狭めることができるため、ディレーとセレクターからなる可変ディレー19を縮小し、ゲート数を削減することができることから、物理乱数発生器1の規模を小さくして占有面積を縮小し、その消費電力を低減することが可能となる。
Therefore, in addition to the fact that only one integrating
<その他の実施形態>
なお、上述した第2の実施形態において、図5に示すように、積分回路5の抵抗Rの後段にFET(電界効果トランジスタ)17をキャパシタCと並列に付加してもよい。この場合は、図6に示すように、積分回路5のキャパシタCに充電された電荷を放電して電位を積分波形の基点に戻すことにより、積分波形の基点が常に安定し、その結果としてジッターの分布も安定する。さらに、ジッターの分布が安定することは良質な乱数を生成することにつながる。また、乱数生成は電位が基点に戻るまで待たなければならないが、積分回路5のキャパシタCに充電された電荷が高速に放電され、電位も高速に積分波形の基点に戻るため、乱数生成までの待ち時間を短縮することができる。それに加え、乱数生成後に波形の電位が上がりきるのを待たずして強制的に基点まで電位を下げることができるので、さらなる時間短縮が可能となる(乱数生成したら、すぐに電位を基点まで戻せる)。これにより、乱数生成スピードを大幅に高速化することができる。同様に、上述した第1の実施形態において、各積分回路5の抵抗Rの後段にFET17をキャパシタCと並列に付加することもできる。
<Other embodiments>
In the second embodiment described above, an FET (field effect transistor) 17 may be added in parallel with the capacitor C after the resistor R of the integrating
また、上述した第2の実施形態において、図7に示すように、積分回路5の抵抗Rに代えて定電流回路18を設けても構わない。この場合は、図8に示すように、キャパシタCの充電時の積分波形が直線となり、ノイズに対して変調したジッターの歪みがなくなるため、乱数の質が向上する。同様に、上述した第1の実施形態において、各積分回路5の抵抗Rに代えて定電流回路18を設けることも可能である。
In the second embodiment described above, a constant
また、図9に示すように、上述した物理乱数発生器1をk個(kは2以上)並列接続し、各物理乱数発生器1に入力されたパラレル物理乱数をk個のシリアル物理乱数に並べ替え、排他的論理和(XOR)素子を介して出力することにより、複数個の物理乱数発生器1からなる物理乱数発生装置の乱数の質を向上させることもできる。
Further, as shown in FIG. 9, k physical
また、上述した第1および第2の実施形態においては、乱数発生用のフリップ・フロップとしてDタイプのフリップ・フロップを用いた場合について説明したが、本発明ではこれに限定されるわけではなく、これと同等の機能を有するフリップ・フロップであれば代用することができる。 In the first and second embodiments described above, the case where a D-type flip-flop is used as a flip-flop for generating random numbers has been described. However, the present invention is not limited to this. A flip-flop having a function equivalent to this can be substituted.
また、上述した第2の実施形態においては、図4に示すように、ディレーとセレクターからなる可変ディレー19をエッジ検出回路9の後段に設けた場合について説明したが、可変ディレー19をエッジ検出回路9の前段に設けてもよい。
In the above-described second embodiment, as shown in FIG. 4, the case where the
1……物理乱数発生器
5……積分回路
6……ノイズ源
7……アンプ
8……ミキサー
9……エッジ検出回路
10、11……フリップ・フロップ
2……位相調整部
15……第2セレクター
16……第3セレクター
21……ディレー
22……第1セレクター
23……アップ/ダウンカウンター
3……フィードバック回路
17……FET
R……抵抗
C……キャパシタ
18……定電流回路
DESCRIPTION OF
R …… Resistance C ……
Claims (5)
前記各エッジ検出回路の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するフリップ・フロップを備え、
前記各積分回路に入力される入力信号の位相を調整するディレー、第1セレクターおよびアップ/ダウンカウンターからなる位相調整部を備え、
前記フリップ・フロップから出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するように当該フリップ・フロップの出力を前記位相調整部にフィードバックするフィードバック回路を備えた物理乱数発生器において、
前記各積分回路の前段にそれぞれ第2セレクターおよび第3セレクターを設け、
前記アップ/ダウンカウンターの最上位ビットによって前記第1セレクターと前記第2セレクターおよび前記第3セレクターとの入力の極性切換を行う極性切換回路を設けたことを特徴とする物理乱数発生器。 An integration circuit that integrates a clock signal with a resistor and a capacitor to output an integrated waveform, a noise source, an amplifier that amplifies the noise of the noise source and outputs a noise signal, and the integrated waveform and the noise signal are mixed And two edge detection circuits for detecting the first edge of jitter generated based on the output waveform of the mixer,
A flip-flop that outputs "0" or "1" based on the phase difference between the output signals of the edge detection circuits;
A phase adjustment unit comprising a delay for adjusting the phase of an input signal input to each integration circuit, a first selector, and an up / down counter;
In a physical random number generator comprising a feedback circuit that feeds back the output of the flip-flop to the phase adjustment unit so that “0” or “1” output from the flip-flop converges to 50%,
A second selector and a third selector are provided in front of each integrating circuit,
A physical random number generator comprising a polarity switching circuit for switching the polarity of the input to the first selector, the second selector, and the third selector according to the most significant bit of the up / down counter.
ノイズ源と、このノイズ源のノイズを増幅してノイズ信号を出力するアンプと、前記積分波形と前記ノイズ信号とをミキシングするミキサーと、このミキサーの出力波形に基づいて生成されるジッターの最初のエッジを検出するエッジ検出回路とを2個ずつ備え、
前記各エッジ検出回路の出力信号の位相差に基づいて“0”または“1”を出力するフリップ・フロップを備えた物理乱数発生器において、
前記フリップ・フロップに入力される入力信号の位相を調整するディレーとセレクターからなる可変ディレーを前記各エッジ検出回路の前段または後段に設け、
前記フリップ・フロップから出力される“0”または“1”がそれぞれ50%に収束するように当該フリップ・フロップの出力を前記可変ディレーにフィードバックするフィードバック回路を設けたことを特徴とする物理乱数発生器。 One integration circuit that integrates the clock signal with a resistor and capacitor and outputs an integrated waveform,
A noise source, an amplifier that amplifies the noise of the noise source and outputs a noise signal, a mixer that mixes the integrated waveform and the noise signal, and a first jitter generated based on the output waveform of the mixer Two edge detection circuits for detecting edges,
In a physical random number generator comprising a flip-flop that outputs “0” or “1” based on the phase difference between the output signals of the edge detection circuits,
A variable delay comprising a delay and a selector for adjusting the phase of the input signal input to the flip-flop is provided in the front stage or the rear stage of each edge detection circuit,
Physical random number generation characterized by providing a feedback circuit that feeds back the output of the flip-flop to the variable delay so that “0” or “1” output from the flip-flop converges to 50%, respectively. vessel.
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