专利名称：随机数发生器的制作方法
技术领域：
该项发明涉及用于产生随机数的电路装置，尤其是用于集成电路上的随机数发生器的电路装置。
在现有技术中，产生随机数较有名的方法是，用另一频率低得多的信号对高频信号进行采样。这些信号从而在特定的输出上显示为电压，并且在两个幅值之间以特定的速率来回振荡。采样在被提供这两种信号的特殊电路中进行。这时候，总是用第二信号的波形图上的特定点，以便确定第一信号被采样的瞬间，也就是说确定该信号的值(比如电压值)并将它转化为一个数字值。
在数字电路中，在取值为0或1的情形下最简单。比如，当采样瞬间，第一信号的波形处于平均值(比如0伏)之上，就当作“1”；如果波形在平均值之下，就当作“0”。同样有可能对所得到的值进行连续转换，从而得到一个模拟数字(比如以毫伏表示的电压，可以按1∶1的比例转换成数字)。
在两个信号的波形理想的情形下，有可能观察到幅值采样的周期性，这是由于两个频率的比率所造成的。从而，利用这样的随机数发生器不会产生真正的随机数。但是在实践中，两个信号的波并不是理想的波形，而且在微电子领域中，由于有无法避免的噪声，将导致波形的不精确。这可能有这样的效果，即，如果信号之间是相互独立的，只需要两个预先给定的简单频率，实现功能良好的随机数发生器。
但实际上，这种简单的随机数发生器不能满足对待产生的随机数的较高质量要求。这是因为，对于随机数的质量来说，两个信号的相互独立是至关重要的。这意味着，其中一个信号不能通过电路中的电信号途径影响到另一个信号，因此这两个信号要以一种特定的方式相互耦合。
按照上述原则，在一个称作为物理噪声产生器的装置中，比如试图借助具有非恒定频率的被采样信号，也就是第一信号，解决两个信号的相互独立问题。这种要采样的信号，例如可以通过将电压耦合振荡器(压控振荡器VCO)集成到随机数产生电路而获得，压控振荡器的输入是由周期变化的信号所提供，而这种信号可以由第二振荡器所提供。结果，这样就导致了VCO信号的频率以某种方式被调制，这种方式与第二振荡器的波形相关。在这种情形下，第二振荡器也可能是一个VCO，比如它可以在其控制输入端用恒定电压操作，使得在它的信号输出端出现具有恒定频率的振荡信号。但是，这种方式仍然不能对所有应用领域产生满意结果。其结果是，如果第一信号的频率在时间上一个特定的点适合于耦合，而在特定时间以后又分离开，会出现两个信号暂时被耦合，从而产生混频。从而，电路所提供随机数的质量将随着第一信号的变化频率而波动。因此，仍然需要能够产生具有更好质量随机数的随机数发生器。
DD 279 763 A1描述了一个方法来在微型计算器中产生随机数，其中采用了两个不相关的电子振荡，它们的频率至少相差100倍。振荡是由两个相互独立的源所产生，准确地说产生的方式使得两个振荡之间在频率和相位角上都不相关。高频振荡由微型计算器所启动的计数器进行计数，低频振荡用来终止计数器。这样在终止计数器后，读取计数器就可得到随机数，用于进一步处理。
US 5,859,540描述了一个保护环，用于减少光电二极管的暗电流。其中包含有一个在半导体材料中掺杂有高浓度杂质的环形区，根据在第4列的描述，它改变了在耗尽区的位置，从而减少了暗电流。保护环通常是指半导体材料中的掺杂区，它环绕某个器件以限定电流。
本发明基于这样一个原则，即提供一系列措施，它们分别或者结合起来能显著提高随机数发生器中两个信号的独立性。
为此，本发明专注于集成电路中的随机数发生器。集成电路中有第一时钟产生电路，其具有第一个电压供电以产生具有第一频率或频率范围的第一信号；集成电路有第二时钟产生电路，其具有第二个电压供电以产生具有第二频率或频率范围的第二信号，其频率的平均值低于第一频率；该集成电路中还有一个发生器，其中第一信号能够被第二信号采样，并且发生器能根据采样的结果以某种方式产生至少一个随机数。该发生器的特征是，在集成电路中时钟产生电路之间尽可能隔得远，并且/或者两个电压源相互隔开，并且/或者至少在每个时钟产生器电路中放置一个保护环。
提供被采样信号的第一时钟产生器电路能够产生固定频率或输出在预定频率范围内变化的可变频率。固定频率情形最为简单，作为现有技术在前面已经被描述过了，它基于这样一个原则，即随机数不过是由于元件内部不可避免噪声所产生。如今的技术采用一个完全的频率范围，也就是说输出信号的频率可变。
同样的情形适合于第二时钟产生器电路。虽然后者通常频率固定，同样也可能将第二信号设置为频率在指定频率范围内可变。在这种情形下，每个单位时间内所产生随机数的数量会随着第二信号频率变化而有变化。但是，这种设置有利于提高随机数的质量。
如前所述，发生器通过估计瞬时图形和两个信号的值来产生随机数。最简单的情形是，发生器可以是个触发器，其输入由第一信号提供，并且，例如在控制输入上出现的第二信号有上升沿时，它的输出总是连接到一个新的值。本领域的技术人员都熟悉这种电路的相关知识。
将集成电路中的两个时钟产生器电路以尽可能大的距离分离，这将使两个信号之间的相互影响随着距离增大而减小。根据整个集成电路的尺寸，结果可能得到不同质量。在这里，“相互之间尽可能远”的含意是指考虑到集成电路中其他电路条件，组成两个时钟产生器电路的元件相互之间有足够的距离，比如放置在集成电路的相向的对角位置。
按照本发明将电源隔离的效果是，信号不会对电压源的电流造成道间串扰(crosstalk)，后者是两个信号频率的耦合的惯常路径。
最后，保护环也能够帮助防止信号通过集成电路的扩散。
尤其要注意的是，最好在按照本发明的集成电路上的随机数发生器上同时采用所有建议的两项或者三项措施。所有这些措施都能够提高信号的独立性。
电压源最好被用至少一个RC元件隔离。RC元件只允许规定的窄频率范围内的信号通过，而阻止其他的频率。因此，有可能选择一个RC元件来有效阻止其他不同频率的信号，使其不进入到其他各自的时钟产生器电路中去。还可能通过选择RC元件的大小，以防止信号从时钟产生器电路中消失。如果输出频率为可变频率，则适于选择RC元件，以传送出现的频率的平均值。尽管用一个RC元件就足以滤除其中一个电压源，最好是在每个场合下为每个时钟产生器电路提供一个RC元件，并对后者进行隔离。
作为一个可替换办法，或者在采用RC元件的同时，还可能利用至少一个电压稳定器来隔离电压源。在这种情形下，两个时钟产生器电路都先由共同的电压源供电，但电压源分别经过电压稳定器，从而按照设计也可对信号进行隔离。
本发明的特征在于第一信号有可变频率，或者在第二信号中有可变频率。正如在前面所解释的那样，这要通过使用相应的元件来允许频率周期性变化。
正如在对现有技术说明时提到的那样，第二信号的频率显著地低于第一信号频率是有利的。具体是建议使第二信号的频率至少低于第一信号的十倍，甚至更好地是低于一百倍。
频率选择有可能对第二信号产生所谓的抖动(随时间产生的指定信号状态的变化)，抖动分布在第一信号的多个振荡中，因此有可能对第一信号实现更多的随机采样。
发生器产生至少一个随机数。但是，由于时钟产生器电路提供连续的信号，发生器适合并且最好产生一个随机数序列。在实际情况中，通常会产生一个随机数字流，根据第二信号波形到达的具体区域而定，每个到达区域都会产生一个数字或者一个数位。例如，有可能设计出这样的发生器，它产生含有0和1的二进制数字，在每个情形中将预定数目的这些二进制值组合起来形成一个完整的随机数。因此，比如说，有可能结合16或者32个二进制数来组成合适的16位或32位随机数。
前面已经解释过，在简化的实施例中，发生器中可以只包含一个触发器。但是，尽管采用本发明中的措施，发生器在产生随机数的时候会提供非恒定电压，原因比如是第二信号的非恒定频率所致。而且，随机数可能被导致趋向一个特定的值，也就是说具有一个固有的权重。因此产生器最好有一个均衡电路，以补偿非恒定电压和/或随机数生成中的权重。如果第二信号(用来对第一信号采样)也有漂移特征(也就是说频率在最小和最大值之间周期性变动)，那么随机数发生器的电压也会随着频率而变化。推荐采用均衡电路进行补偿，比如可以通过一个反馈移位寄存器，将随机数发生器的输出信号连接到寄存器，来实现均衡电路。众所周知，移位寄存器是个熵存储器。如果信号，比如说数据位，以恒定的速率从移位寄存器中取出(该速率小于或等于随机数发生器的最小输出信号速率)，则取出的信号流(比如一个位流)的熵大于或等于随机数发生器的信号流的熵。但是，在电路中还可考虑其他后处理方法来改进所产生随机数的质量。
在其它较佳的实施例中，第一和/或第二时钟产生器电路可以具有至少一个电压耦合振荡器和另一个振荡器，其信号输出连接到电压耦合振荡器的控制输入端。这种安排尽管在没有在本发明中实现，但原理上是可理解的，可以进一步改善随机数的质量。另一个振荡器也可能是控制输入端连接到恒定电压上的电压耦合振荡器。以这种方式，电压耦合振荡器像一个简单振荡器，只输出一个频率。当使用电压耦合振荡器时，电路可以从总体上进行简化，因为不同器件或元件需求得更少。
为了进一步改善所产生的随机数的质量，还推荐对第一和/或第二时钟产生器电路采用大量串联的电压耦合振荡器，除了最后一级外，每个电压耦合振荡器的输出都连接到下一电压耦合振荡器的控制输入端。按这种方式，有可能在第一信号输出中得到更为复杂的频率模式，使得用第二信号进行采样的周期性进一步增加。
图2表示根据本发明的较为复杂的时钟产生器电路。
第二时钟产生器电路13有一个时钟产生器用于第二信号，它在此较简单的实施例中，例如可以是一个有恒定频率的振荡器。通过电压源15(用于第二时钟产生器)和电压源连线16，为上述振荡器提供合适的工作电压。第一时钟产生器电路2通过一个第一信号的信号输出端11输出信号，该信号通过第一信号的信号线12输送到随机数发生器。第二信号的时钟产生器14也通过第二信号的信号输出端17和信号线18将信号输出到随机数发生器。生成随机数之后，随机数发生器19通过随机数输出端22输出随机数。
第一时钟产生器电路2还具有一个电压源4，它通过电压供电线6、7为时钟发生器提供能量。对第二个时钟发生器电路13提供第二个电压源，该电压源通过电压供电线16为时钟产生器14提供能量。
根据本发明，两个时钟产生器电路2和13在集成电路1中按相互之间隔离得尽可能远来放置。这通过将相应的元件放置在集成电路的斜对角位置来实现。如果在技术上以其他方式不可能实现这一点，也有可能在其他的位置来放置时钟产生器电路。
另外，根据该发明还要在两个时钟产生器电路周围放置保护环。在随后的示例中，将P型掺杂或N型掺杂保护环20放置在用于第一信号的时钟产生器电路2的周围，而将同样类型掺杂的保护环21放置在第二时钟产生器电路13的周围。
最后，按照该发明的要求，可以将两个电压源4和15根据前面所说明的措施那样相互间进行隔离(没有显示出来)。
图2显示了该发明的一个较为复杂的示例装置。在这里，第一时钟产生器电路2总共有3个VCO，分别称为第一信号的时钟产生器3，第一信号的第二VCO 23和第一信号的第三VCO 24，它们都由电压源4通过电压供电线6、7提供电压。
第三VCO 24通过它的信号输出端30和信号线29输出具有恒定频率的信号到第二个VCO 23的输入端31，第二VCO 23然后在信号输出端9输出可变频率的信号，该信号通过信号线8被送到第一时钟产生器3的输入端10。上述第一时钟产生器从而会产生一个更加复杂的信号，然后传送到随机数发生器19，如前所述。在本实施例中，对第二信号的产生将采用同样的方式。在这里，采用三个VCO 25、26和27，它们都通过电压供电线16、28被供电。
按照本发明设置的随机数发生器比以前所知电路有可能产生具有更好质量的随机数。所建议的方案格外简洁，根据本发明能够以更佳的成本效益比(cost-effective)具体地实现随机数发生器。
权利要求
1.集成电路(1)中的随机数发生器(1)，该集成电路具有第一时钟发生器电路(2)、第二时钟发生器电路(13)、以及发生器(19)，其中，第一时钟发生器电路(2)具有第一个电压源(4)，用于产生具有第一频率或者第一个频率范围内的第一信号；第二时钟发生电路(13)具有第二个电压源(15)，用于产生具有平均值比第一频率低的第二频率或者第二频率范围的第二信号；发生器(19)中的第一信号能够被第二信号采样，并且发生器能根据采样的结果以某种方式产生至少一个随机数，特征是时钟发生器电路(2，13)在集成电路(1)中相互之间尽可能放置得远，并且/或者两个电压源(4，15)相互隔离，并且/或者在每个时钟发生器电路(2，13)周围放置至少一个保护环(20，21) 。
2.根据权利要求1所述的随机数发生器，其特征是时钟发生器电路(2，13)在集成电路(1)中相互之间尽可能放置得远，并且两个电压源(4，15)相互隔离，并且在每个时钟发生器电路(2，13)周围放置至少一个保护环(20，21)。
3.根据权利要求1或2所述的随机数发生器，其特征是时钟发生器电路在集成电路(1)中互为对角的角落区域放置。
4.根据权利要求1到3的任一项所述的随机数发生器，其特征是电压源(4，15)至少通过一个RC元件进行隔离。
5.根据权利要求4所述的随机数发生器，其特征是两个电压源(4，15)都通过一个RC元件进行隔离。
6.根据权利要求4或5所述的随机数发生器，其特征是隔离时钟发生器电路(2，13)之一的RC元件的去耦频率相当于相应的或者另一个时钟发生器电路(2，13)的信号的频率范围的平均值。
7.根据权利要求1到6的任一项所述的随机数发生器，其特征是电压源(4，15)通过至少一个电压调节器进行隔离。
8.根据权利要求1到7的任一项所述的随机数发生器，其特征是第一信号具有一个可变频率。
9.根据权利要求1到8的任一项所述的随机数发生器，其特征是第二信号具有一个可变频率。
10.根据权利要求1到9的任一项所述的随机数发生器，其特征是第二信号的频率至少比第一信号的频率低十倍。
11.根据权利要求10中所述的随机数发生器，其特征是第二信号的频率至少比第一信号的频率低一百倍。
12.根据权利要求1到11的任一项所述的随机数发生器，其特征是发生器(19)能产生一个随机数序列。
13.根据权利要求1到12的任一项所述的随机数发生器，其特征是发生器(19)进一步具有一个均衡电路(32)，用于补偿非恒定功率和/或随机数产生中的权重。
14.根据权利要求13所述的随机数发生器，其特征是均衡电路(32)具有一个线性反馈移位寄存器。
15.根据权利要求1到14的任一项所述的随机数发生器，其特征是第一和/或第二时钟发生器电路(2，13)至少有一个电压耦合振荡器(3，23，25，26)，以及一个另外的振荡器(5，24，27)，其信号输出(9)连接到电压耦合振荡器(3，23，25，26)的控制输入端(10)。
16.根据权利要求15所述的随机数发生器，其特征是所述另外的振荡器是电压耦合振荡器(23，24，26，27)，其控制输入端连接到一恒定电压上。
17.根据权利要求15或16所述的随机数发生器，其特征是第一和/或第二时钟发生器具有多个串联的电压耦合振荡器，除了最后一级外，每个电压耦合振荡器的信号输出都连接到下一电压耦合振荡器的控制输入端。
全文摘要
本发明涉及集成电路(1)中的随机数发生器，集成电路具有第一时钟发生器电路(2)、第二时钟发生器电路(13)和发生器(19)。第一时钟发生器电路(2)有第一电压源(4)，以产生具有第一频率或者第一频率范围的第一信号。第二时钟发生电路(13)具有第二电压源(15)，以产生具有第二频率或者第二频率范围的第二信号，频率范围的平均值比第一种频率要低。发生器(19)中的第一信号能够被第二信号采样，并且发生器能根据采样的结果以某种方式产生至少一个随机数。特征是时钟发生器电路(2，13)在集成电路(1)中相互之间尽可能放置得远，并且/或者两个电压源(4，15)相互隔离，并且/或者在每个时钟发生器电路(2，13)周围放置至少一个保护环(20，21)。
文档编号H04L9/22GK1397034SQ01804209
公开日2003年2月12日 申请日期2001年1月12日 优先权日2000年1月27日
发明者N·詹斯森 申请人:因芬尼昂技术股份公司