一种基于闪烁噪声的真随机数发生器及实现方法与流程

本公开属于信息安全领域和集成电路领域，具体涉及一种基于闪烁噪声的真随机数发生器及实现方法。

背景技术：

1、随着信息化时代的到来，信息安全受到越来越多的关注。由于几乎所有的加密算法(如rsa、椭圆加密算法等)都需要用到随机数，因此具有随机数功能的密码芯片已成为安全应用中不可或缺的一部分。同时，随机数在蒙特卡洛等数学仿真方法和随机计算等新型计算范式中也有着广泛的应用。

2、随机数分为伪随机数和真随机数，其中伪随机数是通过数学算法和随机种子得到的，一定条件下可以重复得到；而真随机数是从自然界物理现象(如摇骰子、放射性衰变和热噪声等随机熵源)中提取得到，其不可重复性、不可预测性等优点受到工业界和学术界的广泛关注。

3、现有的真随机数发生器(true random number generator,trng)主要基于器件噪声和器件随机开关两种随机熵源。一方面，作为随机熵源的器件噪声主要包括高斯噪声和随机电报噪声，其中高斯噪声信号强度较弱，容易受到噪声干扰且需要较复杂的放大电路；而随机电报噪声偏置较差且不可控，同样需要外围电路对该噪声进行后处理。另一方面，以器件随机开关作为随机熵源时需要设计复杂的波形和校准后处理电路。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于闪烁噪声的真随机数发生器，该随机数发生器具有尺寸小、结构简单、可靠性高以及电路面积小的特点，便于进行大规模集成，大大降低了随机比特流的成本。

2、为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

3、一种基于闪烁噪声的真随机数发生器，包括：

4、激励单元，用于生成激励信号；

5、噪声单元，用于生成闪烁噪声信号；

6、采样单元，用于生成马尔可夫模型信号，并基于马尔可夫模型信号发生跳变时对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；

7、感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得n位随机比特流，以进一步生成真随机数。

8、优选的，所述噪声单元和采样单元均包括如下任一：硅基、二维材料金属-氧化物半导体场效应晶体管和存储器。

9、优选的，所述噪声单元和采样单元以不同的器件并联实现或在同一个器件单元中集成。

10、优选的，所述激励信号为电压激励信号或电流激励信号。

11、优选的，所述电压激励信号或电流激励信号包括且不限于方波、正弦波、三角波、梯形波、阶梯波、锯齿波和混合波中任意一种。

12、优选的，通过调节电压激励或电流激励的脉冲幅值，以调控闪烁噪声信号的信号强度。

13、优选的，通过调节电压激励或电流激励的脉冲幅值和脉冲宽度，以调控马尔可夫模型信号的信号参数。

14、优选的，所述感测单元包括延迟电路单元，延迟电路单元连接有差分比较器，其中，延迟电路单元用于将所感测到的采样信号进行1位移位。

15、本公开还提供一种基于闪烁噪声的真随机数发生方法，包括如下步骤：

16、s100：生成闪烁噪声信号；

17、s200：生成马尔可夫模型信号，并基于马尔可夫模型信号发生跳变时对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；

18、s300：对采样信号进行感测，将感测到的采样信号中相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，差分比较后输出1位随机比特；

19、s400：重复执行步骤s100至步骤s300，生成n位随机比特流，以进一步生成真随机数。

20、优选的，步骤s300中，通过将采样信号变换为前采样信号和后采样信号进行差分比较。

21、与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

22、1、本公开选用具有较高噪声密度的闪烁噪声作为随机熵源，与现有的基于高斯噪声和随机电报噪声的真随机数发生器相比，降低了器件的选择性；

23、2、本公开选用马尔可夫模型信号对噪声进行采样获得采样信号，与现有的基于复杂校准电路的真随机数发生器相比，相应的真随机数无需校准且有较好的无偏性；

24、3、本公开选用广义差分变换作为后处理方式，与现有的基于复杂后处理电路的真随机数发生器相比，简化了后处理电路复杂度；

25、4、本公开提供的随机数发生器，尺寸小，结构简单，可靠性高，电路面积小，便于进行大规模集成，大大降低了随机比特流的成本，在信息加密、随机计算、神经网络等信息技术领域具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于闪烁噪声的真随机数发生器，包括：

2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，优选的，所述噪声单元和采样单元均包括如下任一：硅基、二维材料金属-氧化物半导体场效应晶体管和存储器。

3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述噪声单元和采样单元以不同的器件并联实现或在同一个器件单元中集成。

4.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述激励信号为电压激励信号或电流激励信号。

5.根据权利要求4所述的真随机数发生器，其中，所述电压激励信号或电流激励信号包括且不限于方波、正弦波、三角波、梯形波、阶梯波、锯齿波和混合波中任意一种。

6.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，通过调节电压激励或电流激励的脉冲幅值，以调控闪烁噪声信号的信号强度。

7.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，通过调节电压激励或电流激励的脉冲幅值和脉冲宽度，以调控马尔可夫模型信号的信号参数。

8.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述感测单元包括延迟电路单元，延迟电路单元连接有差分比较器，其中，延迟电路单元用于将所感测到的采样信号进行1位移位。

9.一种基于闪烁噪声的真随机数发生方法，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤s300中，通过将采样信号变换为前采样信号和后采样信号进行差分比较。

技术总结
本公开揭示了一种基于闪烁噪声的真随机数发生器，包括：激励单元，用于生成激励信号；噪声单元，用于生成闪烁噪声信号；采样单元，用于生成马尔可夫模型信号，并基于马尔可夫模型信号发生跳变时对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。本公开以闪烁噪声作为随机熵源，能够降低器件的选择性；同时，通过马尔可夫模型信号对噪声进行采样，使得获得的真随机数无需校准且有较好的无偏性。

技术研发人员：柴正,石光明,袁玺惠,何颖潼,闵泰
受保护的技术使用者：鹏城实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14