PL232383B1

PL232383B1 - Metastabilnościowy generator losowy

Info

Publication number: PL232383B1
Application number: PL422481A
Authority: PL
Inventors: Piotr Zbigniew Wieczorek; Krzysztof Gołofit
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-06-28
Also published as: PL422481A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest metastabilnościowy generator losowy przeznaczony zwłaszcza do generowania liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych.

Znany jest z opisu patentowego PL 225188 BI, metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu. Do układu pomiaru czasu dołączone jest jednocześnie wejście układu pamięciowego i pierwsze wejście układu porównawczego, którego drugie wejście dołączone jest do wyjścia układu pomiaru czasu. Wyjścia układu porównawczego stanowią wyjścia metastabilnościowego generatora losowego.

Z tego samego wynalazku znany jest metastabilnościowy generator losowy, w którym wyjście układu pomiaru czasu dołączone jest do pierwszego wejścia układu porównawczego poprzez drugi układ pamięciowy.

Z tego samego wynalazku znany jest metastabilnościowy generator losowy, w którym wyjście multiwibratora dołączone jest do wejścia układu pomiaru czasu poprzez detektor końca fazy autonomicznej.

Celem wynalazku jest możliwość regulacji szybkości multiwibratora oraz możliwość adaptacyjnej poprawy parametrów statystycznych i szybkości generowanych liczb i ciągów losowych.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z regulowaną szybkością, że metastabilnościowy generator losowy ma układ sterowania szybkością, oraz że do wejścia regulacji szybkości multiwibratora dołączone jest wyjście układu sterowania szybkością. Układ sterowania szybkością ma przynajmniej jedno wejście dołączone do przynajmniej jednego wyjścia metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z regulowaną szybkością stanowi przynajmniej jeden układ napięciowy, którego obwód zasilający ma dołączony do wejścia regulacji szybkości multiwibratora. Multiwibrator z regulowaną szybkością stanowi przynajmniej jeden układ prądowy z regulowanym źródłem prądowym, które ma dołączone do wejścia regulacji szybkości multiwibratora.

Wynalazek umożliwia regulację szybkości multiwibratora oraz adaptacyjną poprawę parametrów statystycznych i szybkości generowanych liczb i ciągów losowych.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy, fig. 2 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe, fig. 3 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy i detektor końca fazy autonomicznej, fig. 4 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe i detektor końca fazy autonomicznej, fig. 5 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy oraz układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 6 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe oraz układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 7 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający pojedynczy układ pamięciowy i detektor końca fazy autonomicznej oraz układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 8 przedstawia schemat blokowy metastabilnościowego generatora losowego zawierający dwa układy pamięciowe i detektor końca fazy autonomicznej oraz układ sterowania szybkością dołączony do wyjść generatora, fig. 9 przedstawia schemat blokowy napięciowego multiwibratora z regulowaną szybkością, a fig. 10 - schemat blokowy prądowego multiwibratora z regulowaną szybkością.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 1 zawiera multiwibrator z regulowaną szybkością MRS o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście TQ układu pomiaru czasu UPC. Do wyjścia T układu pomiaru czasu UPC dołączone jest jednocześnie wejście T1 układu pamięciowego UP i pierwsze wejście K1 układu porównawczego UK. Do wyjścia TIP układu pamięciowego UP dołączone jest drugie wejście K2 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z regulowaną szybkością MRS posiada wejście regulacji szybkości RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Jeżeli multiwibrator z regulowaną szybkością MRS pracuje w odpowiednim zakresie metastabilności - to znaczy odpowiednio blisko punktu metastabilności, aby odpowiedzi czasowe były różne, lecz bez przekraczania granicy, za którą stan logiczny byłby nieokreślony - to układ pomiaru czasu UPC mierzy czasy odpowiedzi multiwibratora. Układ pamięciowy UP pozwala na zapamiętanie zmierzonego

PL 232 383 B1 interwału czasowego, dzięki czemu układ porównawczy UK porównuje zapamiętaną w układzie pamięciowym UP wartość z wartością bieżącą z układu pomiaru czasu UPC. W zależności od tego, który interwał czasowy jest dłuższy, na wyjściu K układu porównawczego UK pojawia się wartość logiczna „zero” albo „jeden”, a na wyjściu PLL informacja o tym, że porównanie dało prawidłowy wynik. Jeżeli natomiast porównywane interwały były takiej samej długości, bądź poza zakresem pomiarowym - np. zbyt krótkie - to na wyjściu PLL pojawi się informacja o błędnym wyniku.

Zastosowanie tego samego multiwibratora do generowania kolejnych metastabilnościowych odpowiedzi czasowych pozwala wyeliminować problem rozrzutów technologicznych, gdy do generowania metastabilnościowych odpowiedzi czasowych wykorzystywana jest większa liczba nieidentycznych multiwibratorów.

Regulacja szybkości multiwibratora MRS pozwala na minimalizację szkodliwego wpływu różnych czynników - na przykład czynników środowiskowych, typu temperatura czy napięcie zasilania, lub ataków aktywnych, typu side-channel, mających na celu zaburzenie prawidłowej pracy układu. Układ sterowania szybkością USS analizuje wyniki pomiarów środowiskowych, na podstawie których dokonuje dopasowania szybkości tak, aby uzyskać najlepsze właściwości pracy układu pod względem szybkości i losowości generowanych liczb i ciągów losowych.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 2 zawiera multiwibrator z regulowaną szybkością MRS o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście TQ układu pomiaru czasu UPC. Do wyjścia T układu pomiaru czasu UPC dołączone jest jednocześnie wejście T1 pierwszego układu pamięciowego UP i wejście T2 drugiego układu pamięciowego UP2. Wyjścia T1P i T2P układów pamięciowych UP i UP2 dołączone są do wejść K2 i K1 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z regulowaną szybkością MRS posiada wejście regulacji szybkością RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Dodatkowy układ pamięciowy UP2 przyspiesza pracę generatora, ponieważ podczas porównywania wartości zapamiętanych w układach pamięciowych UP i UP2 można wykonać kolejny pomiar czasu odpowiedzi multiwibratora MRS.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 3 zawiera multiwibrator z regulowaną szybkością MRS o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście detektora końca fazy autonomicznej DKFA. Wyjście detektora końca fazy autonomicznej DKFA dołączone jest do wejścia TQ układu pomiaru czasu UPC. Do wyjścia T układu pomiaru czasu UPC dołączone jest jednocześnie wejście T1 układu pamięciowego UP i pierwsze wejście K1 układu porównawczego UK. Do wyjścia T1P układu pamięciowego UP dołączone jest drugie wejście K2 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z regulowaną szybkością MRS posiada wejście regulacji szybkości RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Dodatkowy układ w postaci detektora końca fazy autonomicznej DKFA przyczynia się do poprawy wykrycia zakończenia metastabilnej fazy działania multiwibratora z regulowaną szybkością MRS niezależnie od stanu logicznego, do którego wyjście multiwibratora Q zostanie sprowadzone.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 4 zawiera multiwibrator z regulowaną szybkością MRS o wyjściu Q, do którego dołączone jest wejście detektora końca fazy autonomicznej DKFA. Wyjście detektora końca fazy autonomicznej DKFA dołączone jest do wejścia TQ układu pomiaru czasu UPC. Do wyjścia T układu pomiaru czasu UPC dołączone jest jednocześnie wejście T1 pierwszego układu pamięciowego UP i wejście T2 drugiego układu pamięciowego UP2. Wyjścia T1P i T2P układów pamięciowych UP i UP2 dołączone są do wejść K2 i K1 układu porównawczego UK, natomiast wyjścia K i P układu porównawczego UK są wyjściami LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego. Multiwibrator z regulowaną szybkością MRS posiada wejście regulacji szybkością RS, które jest dołączone do wyjścia sterowania szybkością SS układu sterowania szybkością USS.

Jednoczesne zastosowanie dodatkowego układu pamięciowego UP2 oraz detektora końca fazy autonomicznej DKFA łączy zalety stosowania tych układów w postaci przyspieszenia pracy oraz poprawy wykrycia zakończenia metastabilnej fazy działania.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 5 ma budowę taką jak układ z fig. 1, z tą różnicą że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

PL 232 383 B1

Dzięki dołączeniu wyjść metastabilnościowego generatora losowego do wejść układu sterowania szybkością USS, układ ten może dodatkowo analizować statystyki generowanych liczb i ciągów losowych, na podstawie których dokonuje dopasowania szybkości tak, aby uzyskać najlepsze właściwości pracy układu pod względem szybkości i losowości generowanych liczb i ciągów losowych.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 6 ma budowę taką jak układ z fig. 2, z tą różnicą że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 7 ma budowę taką jak układ z fig. 3, z tą różnicą że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

Metastabilnościowy generator losowy przedstawiony na fig. 8 ma budowę taką jak układ z fig. 4, z tą różnicą że wyjścia LL i PLL metastabilnościowego generatora losowego dołączone są do wejść WLL i WPLL układu sterowania szybkością USS.

Napięciowy multiwibrator z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 9, wchodzący w skład metastabilnościowego generatora losowego, stanowi napięciowy multiwibrator NM o dwóch wejściach D' i C' dołączonych do wejść D i C multiwibratora z regulowaną szybkością MRS i wyjściu Q' dołączonym do wyjścia Q multiwibratora z regulowaną szybkością MRS. Wejście dla dodatniego zasilania VDD napięciowego multiwibratora NM dołączone jest do wejścia regulacji szybkości RS multiwibratora z regulowaną szybkością MRS natomiast wejście dla ujemnego zasilania VSS napięciowego multiwibratora NM dołączone jest do ogólnej masy układu GND.

Napięciowy multiwibrator NM w postaci przerzutnika „D”, zbudowany z klasycznych bramek logicznych czy w technice CMOS, może być regulowany pod względem szybkości przez zmianę napięcia zasilania przerzutnika. Niższe napięcie oznacza wolniejszą pracę, wyższe napięcie oznacza szybszą pracę. Napięcie zasilania może być obniżane nawet do podprogowego napięcia działania tranzystorów. Maksymalne napięcie jest określone brzegowymi parametrami pracy układu.

Prądowy multiwibrator z regulowaną szybkością przedstawiony na fig. 10, wchodzący w skład metastabilnościowego generatora losowego, stanowi regulowane źródło prądowe ISS oraz dołączona do niego część logiczna multiwibratora LM o dwóch wejściach D' i C' dołączonych do wejść D i C multiwibratora z regulowaną szybkością MRS i wyjściu dołączonym do wyjścia Q multiwibratora z regulowaną szybkością MRS. Wejście regulacji szybkości RS multiwibratora z regulowaną szybkością MRS dołączone jest do regulowanego źródła prądowego ISS. Dodatnie napięcie zasilania VD dołączone jest do części logicznej multiwibratora LM, a ogólna masa układu GND dołączona jest do regulowanego źródła prądowego ISS.

Multiwibrator MRS zbudowany z bramek prądowych może być regulowany pod względem szybkości przez zmianę wartości prądu tych bramek. Mniejsza wartość prądu oznacza wolniejszą pracę, większa wartość prądu oznacza szybszą pracę. Źródła prądowe wykonane w postaci luster prądowych pozwalają na łatwe sterowanie całym szeregiem źródeł prądowych jednocześnie.

Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w generowaniu liczb i ciągów liczbowych prawdziwie losowych w układach odpornych na ataki typu side-channel i zmienne środowisko pracy.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego dołączone jest jednocześnie wejście układu pamięciowego i pierwsze wejście układu porównawczego, którego drugie wejście dołączone jest do wyjścia układu pomiaru czasu, znamienny tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z regulowaną szybkością (MRS).
2. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada układ sterowania szybkością (USS), którego wyjście (SS) dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora z regulowaną szybkością (MRS).
3. Metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego dołączone są jednocześnie wejścia dwóch układów pamięciowych, których wyjścia dołączone są do wejść układu porównawczego, znamienny tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z regulowaną szybkością (MRS).
4. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 3, znamienny tym, że posiada układ sterowania szybkością (USS), którego wyjście (SS) dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora z regulowaną szybkością (MRS).
5. Metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście detektora końca fazy autonomicznej, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego dołączone jest jednocześnie wejście układu pamięciowego i pierwsze wejście układu porównawczego, którego drugie wejście dołączone jest do wyjścia układu pomiaru czasu, znamienny tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z regulowaną szybkością (MRS).
6. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 5, znamienny tym, że posiada układ sterowania szybkością (USS), którego wyjście (SS) dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora z regulowaną szybkością (MRS).
7. Metastabilnościowy generator losowy zawierający multiwibrator, do którego wyjścia dołączone jest wejście detektora końca fazy autonomicznej, do którego wyjścia dołączone jest wejście układu pomiaru czasu, do którego dołączone są jednocześnie wejścia dwóch układów pamięciowych, których wyjścia dołączone są do wejść układu porównawczego, znamienny tym, że multiwibrator jest multiwibratorem z regulowaną szybkością (MRS).
8. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 7, znamienny tym, że posiada układ sterowania szybkością (USS), którego wyjście (SS) dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora z regulowaną szybkością (MRS).
9. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 2 albo 4, albo 6, albo 8, znamienny tym, że układ sterowania szybkością (USS) posiada przynajmniej jedno wejście (WLL, WPLL) dołączone do przynajmniej jednego wyjścia (LL, PLL) metastabilnościowego generatora losowego.
10. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1 albo 3, albo 5, albo 7, znamienny tym, że multiwibrator z regulowaną szybkością (MRS) stanowi przynajmniej jeden multiwibrator napięciowy (NM), którego obwód zasilający (VDD) dołączony jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora (MRS).
11. Metastabilnościowy generator losowy według zastrz. 1 albo 3, albo 5, albo 7, znamienny tym, że multiwibrator z regulowaną szybkością (MRS) stanowi przynajmniej jeden multiwibrator prądowy z regulowanym źródłem prądowym (ISS), które dołączone jest do wejścia regulacji szybkości (RS) multiwibratora (MRS).