专利名称：一种基于亚阈值特性的真随机数发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及信息安全和集成电路技术领域，尤其涉及一种基于亚阈值特性的真随 机数发生器，用于产生不可预测的真随机数序列。
背景技术：
随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，尤其是网络的广泛利用，信息已成为当今 社会的一种十分重要的财富。信息化社会的不断发展使得每个人的生活都与信息的产生、 接收、存储、处理和传递有着密切的联系。商业、金融业与互联网的结合更是对密码学和信 息安全提出了巨大的挑战。随机数在现代密码学领域有着非常重要的作用，它是密码芯片和硬件中重要的组 成部分。随机数发生器主要分为两种伪随机数发生器和真随机数发生器。用确定性的算 法计算得到的随机序列叫伪随机数，如果攻击者拥有足够的计算能力，则完全可以预测到 伪随机数的产生规律。而真随机数发生器利用大自然的随机噪声源，其输出序列不可预测 不可再现，能够更好的保护信息的传递，适用于对信息安全要求较高的芯片硬件实体中。目前，在电路系统中通常采样三种方法获得真随机数1)利用电阻热噪声源直接 放大获得；2)利用带时钟抖动的振荡采样法获得；3)利用离散时间的混沌电路获得。其中 最常用的基于振荡采样法的真随机数发生器是由带抖动的振荡器作为随机源，而用精确的 另一振荡器采样得到数据输出，随机源来自于带抖动振荡器上的频率抖动。通常将带抖动 振荡器设计成易于受噪声扰动，比较常见的方法有将电阻热噪声进行放大输入到振荡器， 从而使其频率发生抖动；或者通过增加振荡链的级数或增加振荡链条数的方法，调节快慢 振荡器的频率比，从而增强外部噪声对振荡器频率的影响。但是，加入电阻热噪声的设计方 法电路复杂，较难实现；而利用多条或多级振荡链的设计方法，使用的振荡链数量庞大，且 要使快慢振荡器的频率比调节合适，繁琐麻烦，效果则比较一般。理想的随机序列应该满足数字0和1随机分布并且相互没有相关性，其一阶、二阶 以及高阶相关系数要足够小，另外还要满足其他一些复杂的随机性能标准。然而，实际工作 中的真随机数发生器会受到温度、工艺偏差、电源波纹及其他电路串扰等等的影响而使得 输出随机序列性能变差，因此真随机数发生器需要一个后处理电路对输出序列进行数字处 理，从而达到更高的随机性能标准来满足应用的需要。
发明内容
发明目的为了克服现有的基于振荡采样法的真随机数发生器随机抖动不足或电 路繁琐的缺点，本发明提供一种基于振荡采样法设计的，基于亚阈值特性的真随机数发生 器，采用新型的高性能随机抖动源，使用简单的电路即可产生高性能的随机序列，可用于密 码学等相关应用领域。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于亚阈值特性的真随机数发生器，包括快速振荡器、慢速振荡器、电平转换电路、采样触发器和信号后处理电路，所述快速振荡器的输出端通过电平转换电路与采样触发器的数据端相连接，慢速振荡器的输出端与采样触发器的时钟端相连接，采样触发器 的输出端与信号后处理电路的输入端相连接，信号后处理电路的输出端作为发生器的输出 端，所述信号后处理电路对采样触发器的输出信号进行一系列的杂化和噪声化处理过程， 以改善输出序列的随机特性。所述快速振荡器可以采用环形振荡电路实现，通过奇数个反相器串联构成；通过 控制提供给环形振荡电路的工作电压，可以使快速振荡器工作在亚阈值区内，利用亚阈值 区环形振荡电路易于受外部扰动影响的特点，可以增加最终输出序列的随机特性。所述慢振荡器为一种晶振时钟电路，所述晶振时钟电路的精度要求相对比较高， 所述慢速振荡器的时钟频率为快速振荡器的时钟频率的1/10以下。所述采样触发器采用边沿敏感的寄存器，即可实现对快速振荡器的采样并保持采 样数据的稳定性；优选采用D触发器。所述信号后处理电路由异或网络、伪随机电路和SHAl哈希函数电路构成，采样触 发器的输出端与异或网络的输入端相连接，异或网络的输出端与伪随机电路的输入端相连 接，伪随机电路的输出端与SHAl哈希函数电路的输入端相连接，SHAl哈希函数电路的输出 端作为发生器的输出端。经采样触发器输出的数据首先接入异或网络，再通过伪随机电路 对数据进行白噪化处理后，最后接入SHAl哈希函数电路，SHAl哈希函数电路输出端输出的 数据即为所述发生器的输出值。所述异或网络由二级以上移位寄存器串联构成，在相邻的移位寄存器的输出端之 间连接有异或门，并逐级传递至下一级，将每次采样得到的单个随机种子逐次移位并相邻 异或后得到串行输出值；连接最高级移位寄存器的输出端的异或门的输出端作为异或网络 的输出端与伪随机电路的输入端相连接。所述伪随机电路为一种线性反馈移位寄存器，包括两个以上相串联的寄存器和一 个特征多项式构造反馈函数网络，所述反馈函数网络为模二加法器电路；这样获得的随机 数输出具有类似高斯白噪声的频谱，相关性弱，使随机特性得到了很大的改善。在信号后处理电路中还串接了哈希函数电路，哈希函数本身在数学上具有单向 性、压缩性和抗碰撞性的特点，能够优化输入数据序列的统计特性，本发明采用了抗穷举性 较强的SHAl算法实现哈希网络，能够得到高性能的随机数输出，所述SHAl哈希函数电路可 以通过典型的数字电路实现。所述慢速振荡器的占空比尽可能接近50%，以使输出序列中“0”和“1”的概率都 接近50 %，优选慢速振荡器的占空比为50 %。由于快速振荡器工作在较低的亚阈值电源区，而其他电路一般工作在正常的1. 8V 电源电压区，两个不同电压域的电路之间不能直接通信，因此快速振荡器与采样触发器之 间需要设计有电平转换电路，用于匹配两个不同电压域间的数字信号。所述电平转换电路 可以通过四个PMOS晶体管和四个NMOS晶体管实现，分别记为第零PMOS晶体管ΜΡ0、第一 PMOS晶体管MPl、第二 PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3、第零匪OS晶体管ΜΝ0、第一 匪OS晶体管MNl、第二匪OS晶体管MN2和第三匪OS晶体管MN3 ；第一 PMOS晶体管MPl和第 一 NMOS晶体管丽1构成反相器输出连接到第零NMOS晶体管MNO的输入，第零匪OS晶体管 MNO的漏端连接至第二 PMOS晶体管MP2栅极，第二 PMOS晶体管丽2的漏端连接至第零PMOS晶体管MPO的栅极，第零匪OS晶体管ΜΝ0、第零PMOS晶体管ΜΡ0、第二匪OS晶体管丽2、第 二 PMOS晶体管MP2共同构成交叉结构，输出连接到由第三NMOS晶体管丽3和第三PMOS晶 体管MP3构成的反相器输入端。有益效果本发明的提供的一种基于亚阈值特性的真随机数发生器，随机源电路 的结构简单，只需要一串奇数级的反相器链级联即可；随机特性好，频率抖动的加强和随机 化能力强的信号后处理电路增强了输出序列的随机特性，使得输出效果更好。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明中快速振荡器及电平转换电路的电路结构示意图；图3为信号后处理电路的工作流程图；图4为信号后处理电路的电路结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示，为一种基于亚阈值特性的真随机数发生器，包括快速振荡器、慢速振 荡器、电平转换电路、采样触发器和改善输出序列随机特性的信号后处理电路，所述快速振 荡器的输出端通过电平转换电路与采样触发器的数据端相连接，慢速振荡器的输出端与采 样触发器的时钟端相连接，采样触发器的输出端与信号后处理电路的输入端相连接，信号 后处理电路的输出端作为发生器的输出端。如图2所示，为快速振荡器和电平转换电路的电路结构示意图。所述快速振荡器 作为随机源，由通过奇数个反相器串联构成的环形振荡电路实现，电路结构简单，其频率易 受电源电压抖动、温度和电路噪声等因素影响，因而具有一定的相位抖动；其相位噪声的方 差会随着时间增大而增大，经过若干周期的积累，这些抖动会变得更加明显；但是，环形振 荡电路上单纯的相位抖动很小，一般在ps级，如果不进行放大，即使是若干周期抖动的叠 加也很难达到满意的效果。本例中，由于环形振荡电路工作在亚阈值区内，因而其频率受电路噪声的影响更 大，能够在较大程度上增强相位抖动。下面从原理上进行描述环形振荡电路由奇数个反相器串联组成，振荡周期为T = 2*N*tpd，其中N是反相 器的个数，tpd是每个反相器的传输延迟时间。当N确定时，环形振荡器的周期由反相器的 传输延迟时间决定。在正常工作的电源电压供电情况下，NMOS晶体管(PM0S晶体类似)的 下降时间tpm为
「0028权利要求
一种基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述发生器包括快速振荡器、慢速振荡器、电平转换电路、采样触发器和改善输出序列随机特性的信号后处理电路，所述快速振荡器的输出端通过电平转换电路与采样触发器的数据端相连接，慢速振荡器的输出端与采样触发器的时钟端相连接，采样触发器的输出端与信号后处理电路的输入端相连接，信号后处理电路的输出端作为发生器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述快速 振荡器由通过奇数个反相器串联构成的环形振荡电路实现，所述快速振荡器工作在亚阈值 区内。
3.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述慢振 荡器为一种晶振时钟电路，所述慢速振荡器的时钟频率为快速振荡器的时钟频率的1/10 以下。
4.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述采样 触发器采用边沿敏感的寄存器。
5.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述采样 触发器采用D触发器。
6.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述信号 后处理电路由异或网络、伪随机电路和SHAl哈希函数电路构成，采样触发器的输出端与异 或网络的输入端相连接，异或网络的输出端与伪随机电路的输入端相连接，伪随机电路的 输出端与SHAl哈希函数电路的输入端相连接，SHAl哈希函数电路的输出端作为发生器的 输出端。
7.根据权利要求6所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述异或 网络由二级以上移位寄存器串联构成，在相邻的移位寄存器的输出端之间连接有异或门， 并逐级传递至下一级，连接最高级移位寄存器的输出端的异或门的输出端作为异或网络的 输出端与伪随机电路的输入端相连接。
8.根据权利要求7所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述伪随 机电路为一种线性反馈移位寄存器，包括两个以上相串联的寄存器和一个特征多项式构造 反馈函数网络，所述反馈函数网络为模二加法器电路。
9.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述慢速 振荡器的占空比为50%。
10.根据权利要求1所述的基于亚阈值特性的真随机数发生器，其特征在于所述电 平转换电路包括第零PMOS晶体管ΜΡ0、第一 PMOS晶体管MP1、第二 PMOS晶体管MP2、第三 PMOS晶体管MP3、第零匪OS晶体管ΜΝ0、第一匪OS晶体管MN1、第二匪OS晶体管MN2和第 三匪OS晶体管丽3 ；第一 PMOS晶体管MPl和第一 NMOS晶体管丽1构成反相器输出连接到 第零NMOS晶体管MNO的输入，第零NMOS晶体管MNO的漏端连接至第二 PMOS晶体管MP2栅 极，第二PMOS晶体管丽2的漏端连接至第零PMOS晶体管MPO的栅极，第零NMOS晶体管ΜΝ0、 第零PMOS晶体管ΜΡ0、第二 NMOS晶体管丽2、第二 PMOS晶体管MP2共同构成交叉结构，输 出连接到由第三NMOS晶体管丽3和第三PMOS晶体管MP3构成的反相器输入端。
全文摘要
本发明公开了一种基于亚阈值特性的真随机数发生器，包括快速振荡器、慢速振荡器、电平转换电路、采样触发器和信号后处理电路，快速振荡器的输出端通过电平转换电路与采样触发器的数据端相连接，慢速振荡器的输出端与采样触发器的时钟端相连接，采样触发器的输出端与信号后处理电路的输入端相连接，信号后处理电路的输出端作为发生器的输出端，信号后处理电路对采样触发器的输出信号进行一系列的杂化和噪声化处理过程，以改善输出序列的随机特性。本发明提供的发生器，随机源电路的结构简单，只需要一串奇数级的反相器链级联即可；随机特性好，亚阈值区频率抖动的加强和随机化能力强的信号后处理电路增强了输出序列的随机特性，使得输出效果更好。
文档编号G06F7/58GK101957741SQ20101051009
公开日2011年1月26日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者刘君寅, 单伟伟, 戚隆宁, 时龙兴, 秦娟, 陆寅超 申请人:东南大学