具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器的制造方法
【专利摘要】一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器是由超连续谱熵源将脉冲序列输入到阵列波导光栅，后被切割成 N 路窄带子光脉冲序列，再经 N 路保偏光纤进入色散补偿光纤阵列发生时域展宽，继而通过另外 N 路保偏光纤输入光电探测器阵列转换为相应的电脉冲序列，最后经 N 路电缆线进入模数转换器阵列量化成 N 路独立的高速并行真随机码序列。本发明单路码率可达十Gbps量级，并能同时输出至少 N =1000路的独立并行真随机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性至少提高了3~4个数量级，能极大满足了现代大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。
【专利说明】具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器
【技术领域】
[0001] 本发明与一种并行随机数发生器有关，尤其是一种具有超强可扩放性的高速并行 真随机数发生器，应用于蒙特卡洛仿真、大规模并行计算及保密通信领域。
【背景技术】
[0002]蒙特卡罗（MonteCarlo)仿真在核物理、计算化学、生物医学、金融工程学、宏观 经济学等领域有着重要应用。随机数是蒙特卡罗仿真的基石，其质量决定蒙特卡罗仿真的 精确程度，其速率制约仿真速度；并且仿真中消耗随机数的量越多，对随机数的质量要求越 尚。
[0003] 随着计算模型日益复杂和计算量不断增加，现行蒙特卡罗仿真一般采用多个处理 器并发地执行，即"并行蒙特卡罗仿真"，其面临的首要问题就是多路并行随机数的高速产 生，称作"并行随机数发生器"。
[0004] 一个高质量的并行随机数发生器必须满足以下条件： 1) 不含序列内相关性（intra-streamcorrelation)。即每个处理器上所用的随机数 序列必须具有尚质量的随机特性； 2) 不含序列间相关性（inter-streamcorrelation)。即多个并行处理器所用的多路 随机数序列之间要相互独立； 3) 具有可扩放性（scalability)。即根据实际需要，随机数发生器可同时产生出任意N 路独立的随机数序列。
[0005] 利用计算机，通过一定的并行化算法对伪随机数发生器进行处理，可方便地获得 并行随机数，称为"并行伪随机数发生器"。典型方法有统一分配法、参数配置法、分段法和 跳变法等。该一类并行随机数发生器具有高速率、低成本、易构建等优点，但同时存在着诸 多突出的问题。如一些高质量的伪随机数发生器无法进行并行化处理；再如许多伪随机数 发生器经并行化算法处理后，其自身的随机性和有效性会大大降低；还有最致命的是，该类 发生器是基于种子和确定性算法实现的，不可避免地存在周期性一一这一"阿喀琉斯之踵" 严重限制了其大量产生随机数的能力，局限了其在大规模并行计算领域的应用。
[0006] 基于自然界随机现象构建并行随机数发生器，可提供非周期、不可预测、无限数量 的真随机数，称作"并行真随机数发生器"。1986年，美国罗切斯特大学的J.Marron等人提 出了首个并行真随机数发生器的雏形，是利用一个二维探测器阵列对激光器散斑分布进行 探测和编码实现的[為叩丄办t25(1): 26-30 (1986)]。1987年，法国巴黎大学F.Devos 进一步发展了这一技术[办t 12(3): 152-154 (1987)]。但遗憾的是，此后很长的 一段时间内，并行真随机数发生器的研宄未再取得显著进展。其主要原因在于，传统物理熵 源，如热噪声、振荡器抖动等，带宽过低且可扩放性差，码率处于Mb/s量级，与实际需求相 去甚远。
[0007] 近年来，随着高带宽光子熵源的出现，串行真随机数发生器取得了跨越式发展，速 率可达Gb/s量级。典型的实现方法有： 1)基于放大自发辐射光噪声（ASE)提取真随机数。如，美国C.R.S.Williams等 人2010年利用铲杂光纤放大器中的ASE获得了 12. 5Gb/s的真随机数[办t 18(23), 23584 - 23597, 2010] 〇
[0008] 2)基于混沌激光提取真随机数。如，发明人所在课题组2013年利用混沌半导体激 光器实验实现了 4. 5Gb/s真随机数的产生[办t 21(17): 20452-20462,2013]。
[0009] 3)基于量子真空态获取真随机数。如，澳大利亚T.Symul等人2011年基于真空 态构建了 2Gb/s随机数产生系统[為叩乂 /--. 98(23): 231103，2011]。
[0010] 但遗憾的是，上述这些真随机数发生器虽具有较高码率，却属于"串行"随机数发 生器，只能输出一路随机码序列，不符合高质并行真随机数的要求，无法应用于大规模蒙特 卡洛仿真及并行计算领域。
[0011] 综上所述，并行伪随机数发生器能快速产生随机数，典型速率处于Gb/s量级，但 无法克服算法本身固有周期性的限制，不具备产生大量随机数的能力；传统并行真随机数 发生器拥有产生大量无周期随机数的能力，但受限于随机数信号源带宽，无法实现真随机 数的快速产生，典型速率低于100Mb/s;近年来发展起来的新型真随机数发生器已具有 Gb/s的快速随机数产生能力，但却只能输出一路随机数，亦即可扩放性极差。
[0012] 与此同时，蒙特卡罗仿真在并行环境中的计算量至少是串行情形下的10?IO5 倍，要求相应随机数的产生速度和数量均需大幅度提升。根据2014年"国际TOP500组 织"公布的最新全球超级计算机500强榜单，当前并行计算机已拥有并发执行数千、甚至上 万只处理器的能力，要求具有与之相匹配的可扩性能力的并行真随机数发生器。因此，发展 与当前需求相匹配、兼具超强可扩放性及快速产生大量随机数能力的并行真随机数发生器 已迫在眉睫。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是提供一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，以解决 上述现有技术中存在的码率不足及可扩放性差的问题。
[0014] 实现上述目的所采取的技术方案如下： 一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，其特征在于： 一保偏光纤中，依次设置有主动锁模脉冲激光器、脉冲光放大器、高非线性色散位移光 纤和反常色散光纤，构成一超连续谱熵源； 一超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列输入到阵列波导光栅被切割成靡各窄带子 光脉冲序列，再经靡各保偏光纤进入到色散补偿光纤阵列发生时域展宽，继而通过靡各保偏 光纤输入光电探测器阵列被转换为相应的电脉冲序列，最后经靡各电缆线进入模数转换器 阵列被量化成靡各高速并行真随机码序列。
[0015] 进一步的方案如下： 所述阵列波导光栅是具有#输出波长通道。
[0016] 所述色散补偿光纤阵列是由M相同的色散补偿光纤并列构成。
[0017] 所述光电探测器阵列是由#个相同的光电探测器并列构成。
[0018] 所述模数转换器阵列是由#个相同的1位电子ADC并列构成。
[0019] 所述冲勺取值范围在1000 ~ 10000之间。
[0020] 所述靡各独立的高速并行真随机码序列的码率均与超连续谱熵源输出脉冲的重 复频率一致，取值范围在10GHz~60GHz之间。
[0021] 实施本发明所提供的一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，与在先 并行随机数产生技术相比，其优点与积极效果在于： 第一，不存在周期性，可提供无限数量的真随机数序列，克服了并行伪随机数发生器固 有周期性的局限。
[0022] 第二，单路码率可达十Gbps量级，并能同时输出至少浪1000路的独立、并行真随 机码，将现有并行真随机数发生器的可扩放性至少提高了 3~4个数量级，能极大满足了现 代大规模并行计算及高速保密网络通信的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明高速并行真随机数发生器的结构示意图。
[0024] 图2是本发明超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列的光谱图。
[0025]图3是本发明超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列的三维时序图（不含反常色 散光纤4时)。
[0026] 图4是本发明超连续谱熵源源输出的超连续谱脉冲序列的三维时序图(含反常色 散光纤4时)。
[0027] 图5和图6是本发明产生出的遞各窄带子光脉冲序列中任意两路的二维时序图。
[0028] 图7和图8是本发明上述任意两路窄带脉冲序列对应的随机码时序图。
[0029] 图9和图10是本发明上述任意两路并彳丁随机码的自相关图和互相关图。
[0030] 图11是实现本装置的真随机数产生方法的流程图。
[0031] 图中：1 :主动锁模脉冲激光器；2 :脉冲光放大器；3 :高非线性色散位移光纤；4 : 反常色散光纤；5 :阵列波导光栅；6 :色散补偿光纤阵列；7 :光电探测器阵列；8 :模数转换 器阵列。
【具体实施方式】
[0032] 本发明一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，是利用超连续谱熵源 产生的高重复频率、强度大幅度随机起伏的超连续谱脉冲序列作为随机数提取源，采用阵 列波导光栅5对其进行光谱切割得到靡各高重复频率、强度大幅度随机起伏的窄带子光脉 冲序列，经靡各保偏光纤进入色散补偿光纤阵列6，在各自对应的色散补偿光纤作用下发生 时域展宽，继而经另外靡各保偏光纤进入光电探测器阵列7,被各自对应的光电探测器转换 为相应的电脉冲序列，最后经靡各电缆线进入模数转换器阵列8,被各自对应的模数转换器 量化成靡各独立的高速并行真随机码序列；所述超连续谱熵源由主动锁模脉冲激光器1、脉 冲光放大器2、高非线性色散位移光纤3及反常色散光纤4构成的，各器件之间通过保偏光 纤依次连接；所述阵列波导光栅5具有#输出波长通道；所述色散补偿光纤阵列6由M 相同的色散补偿光纤并列构成；所述光电探测器阵列7由#个相同的光电探测器并列构成； 所述模数转换器阵列8由#相同的1位电子ADC并列构成；所述施]取值范围在1000~ 10000之间；所述靡各独立的高速并行真随机码序列的码率均与超连续谱熵源输出脉冲的 重复频率一致，取值范围在10GHz~60GHz之间。
[0033] 传统意义或者常规方式上，相关领域的技术人员都是利用超连续谱技术应用于产 生强度稳定的超连续谱脉冲序列，结合解复用手段等应用于WDM系统中的多波长载波光源 或者WDM/OTDM系统中的脉冲光源。然而，由于噪声驱动的调制不稳定性存在，超连续谱脉 冲源输出的脉冲序列在幅度上存在无规则的微弱随机起伏，这是在信息传输系统中所不希 望存在的。因此，相关研宄人员主要致力于对超连续谱脉冲源稳定性的改善，力图消除上述 不利因素的影响，产生出幅度均匀的超短脉冲序列。
[0034] 本发明利用本领域研宄人员力图消除的超连续谱脉冲源输出脉冲序列的幅度不 均衡特性，并采用有效手段对该种不均衡特性进行效果增强后，作为并行随机数的提取源， 实现单路码率达十Gbps量级，能同时输出至少浪1000路的独立、并行超高速真随机数序 列的具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器。
[0035]下面将结合附图对本发明的【具体实施方式】作出详细说明。
[0036] 1、本发明超连续谱熵源的实现过程 这里以重复频率为10GHz的超连续谱熵源实现过程为例，予以说明。
[0037]如图1中所示，主动锁模脉冲激光器1输出脉宽约I. 6ps、重复频率10GHz、波长 为1550nm的超短光脉冲序列，经脉冲光放大器2作用后，其峰值功率可以增大到2kW。以 该超短脉冲信号作为泵浦源经保偏光纤进入到一段长5m、非线性系数为25/W/km高非线 性色散位移光纤3 (零色散点位于1550nm处)，受高非线性色散位移光纤3中自聚集、自相 位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等效应的共同作用，泵浦脉冲的光谱中会 产生许多新的频率成分，使得输出脉冲序列的光谱宽度远大于入射脉冲的谱宽，最终产生 谱宽可达I. 3ym的超连续谱光脉冲信号，如图2所示。
[0038]由于噪声信号的存在，此时的超连续谱光脉冲信号峰值功率会有微弱起伏如图3 所示，但远不足以满足后续电子量化系统的要求；为了进一步增强上述超连续谱光脉冲峰 值功率的起伏，本发明引入一段长10m的反常色散光纤4 ;原始的超连续谱光脉冲信号在 反常色散光纤4传输过程中，噪声驱动的调制不稳定性将发挥主导作用，致使超连续谱光 脉冲信号的稳定性大幅劣化，脉冲峰值强度呈现出强烈的随机起伏。这就实现了本发明的 高重频、强度大幅度起伏的超连续谱熵源。图4是超连续谱的最终输出信号的典型时序图， 此时的超连续谱脉冲的脉宽约Ips。
[0039] 2、本发明靡各并行真随机码的提取过程 这里，以浪1000路并行真随机码的产生为例予以说明。
[0040] 如图1所示，超连续谱熵源产生的重复频率10GHz、峰值强度大幅度随机起伏的 超连续谱光脉冲序列经通道间隔为Inm、通道数浪1000路的阵列波导光栅5光谱切割后， 可分离出浪1000路的窄带子光脉冲序列；这些序列遗传了超连续谱熵源产生的超连续谱 脉冲序列的高重频及峰值功率大幅度起伏特性，且彼此之间相互独立。窄带子光脉冲序列 相互之间完全独立的本质原因在于超连续谱脉冲序列随机起伏起源于量子独立的激光自 发辐射噪声且阵列波导光栅5各个输出通道光谱上无重叠。
[0041] 上述浪1000路的窄带子光脉冲序列脉宽仍然很窄，仅几个PS，超出了本发明采用 的后续模拟带宽仅10GHz的模数转换器阵列8的响应极限。因此，在进行模数转换之前，本 发明引入了色散补偿光纤阵列6,由浪1000段相同长度的色散补偿光纤并列构成，对窄带 子光脉冲序列脉宽进行时域上的展宽，从而使得脉冲宽度达40ps以上。如附图5和附图 6所示，它们是时域展宽后浪1000路的窄带子光脉冲序列中任意两路信号的二维时序图。
[0042] 继而，展宽后的浪1000路窄带子光脉冲序列经光电探测器阵列7中各自对应的光 电探测器单元转换成相应的浪1000路电脉冲序列，并通过浪1000路等长的电缆线进入到 模数转换器阵列8的浪1000个输入端，所述模数转换器阵列8由所述模数转换器阵列8由 浪1000相同的1位电子ADC构成。
[0043] 调节模数转换器阵列8的比较阈值，同时在外加重频为10GHz的同步电时钟信号 触发下，对上述每路电脉冲信号进行量化编码：当脉冲功率大于阈值时，输出高电平，编码 为"1"；反之，输出低电平，编码为"0"。
[0044] 经上述过程，即可完成高质量并行真随机码的输出。附图7和附图8是浪1000路 并行随机码中任意两路的典型时序图。
[0045] 3、靡各并行真随机码的随机性检验 为了验证本发明并行随机数发生器的质量，本发明任意选取了靡各并行真随机码中的 任意两路随机码信号进行了自相关和互相关分析。
[0046] 分析结果如附图9和附图10所示。附图9是任意一路随机码的自相关特性曲线， 它呈现出类S函数形状，这就意味着本发明产生的每路随机码序列内的码元是统计无关 的，具有良好的随机特性；附图10是任意两路随机码的互相关特性曲线，互相关系数均在〇 附近，这就表明本发明任意两路并行随机码序列间是统计无关的。
[0047] 此外，还利用国际随机数行业测试标准（NIST统计测试包)对本发明所产生的随机 码进行了系统测试，结果证明本发明产生的随机码可通过所有测试项，符合行业标准。表1 是本发明的典型测试结果。
【权利要求】
1. 一种具有超强可扩放性的高速并行真随机数发生器，其特征在于： 一保偏光纤中，依次设置有主动锁模脉冲激光器（1)、脉冲光放大器（2)、高非线性色 散位移光纤（3)和反常色散光纤（4)，构成一超连续谱熵源； 一超连续谱熵源输出的超连续谱脉冲序列输入到阵列波导光栅（5)被切割成靡各窄带 子光脉冲序列，再经靡各保偏光纤进入到色散补偿光纤阵列（6)发生时域展宽，继而通过# 路保偏光纤输入光电探测器阵列（7)被转换为相应的电脉冲序列，最后经靡各电缆线进入 模数转换器阵列（8)被量化成靡各高速并行真随机码序列。
2. 如权利要求1所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述阵列波导光栅（5) 是具有#输出波长通道。
3. 如权利要求1所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述色散补偿光纤阵 列（6)是由A段相同的色散补偿光纤并列构成。
4. 如权利要求1所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述光电探测器阵列 (7) 是由#个相同的光电探测器并列构成。
5. 如权利要求1所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述模数转换器阵列 (8) 是由A个相同的1位电子ADC并列构成。
6. 如权利要求1、2、3、4或5所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述冲勺 取值范围在1000 ~1〇〇〇〇之间。
7. 如权利要求1所述的高速并行真随机数发生器，其特征在于：所述靡各独立的高速 并行真随机码序列的码率均与超连续谱熵源输出脉冲的重复频率一致，取值范围在10GHz ~ 60GHz之间。
【文档编号】G06F7/58GK104516714SQ201410831051
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】李璞, 王云才, 张建国, 张建忠, 王安帮, 张明江, 王冰洁 申请人:太原理工大学