一种基于环形振荡器的真随机数发生器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于环形振荡器的真随机数发生器，通过采用基于环形振荡器RO的TRNG，产生低偏置、高熵值的随机序列输出，实现了对TRNG的性能的优化。本发明专利技术按三个结构对TRNG进行优化，包括通过模拟振荡器的输出以测试并优化时间数字转换器电路；采用两级的时间数字转换器结构兼顾所采集的抖动信号的范围和大小；采用时间数字转换器对环形振荡器中的时钟抖动进行收集，经过处理之后获得低偏执高熵的输出序列。本发明专利技术精简了电路结构和减小了整体电路消耗的功率，同时保证输出的随机数序列的特性不受影响。列的特性不受影响。列的特性不受影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形振荡器的真随机数发生器


[0001]本专利技术属于真随机数发生
，具体涉及一种基于环形振荡器的真随机数发生器。

技术介绍

[0002]计算机速度的增长以及量子计算机的出现使密钥的破解越发简单，常用的伪随机数由计算机等设备生成，具有一定的规律性，又被破解的风险。一块芯片从设计开始直到制作完成，需要遍布全球的成百上千家企业参与和协作才能完成。这就导致，只要其中的某一环节出现了诸如技术缺陷抑或信息泄露等问题，都将导致硬件安全性漏洞的产生。由于对芯片安全要求的提高，对于真随机数发生器的需求正不断增加。
[0003]目前，真随机数发生器(TRNG，True Random Number Generator)的研究目标是输出序列的高熵、弱相关性，以及功耗的降低等方面的优化。现有技术重点在于降低成本、结构小、提高随机数产生速率，或者强调TRNG的安全性，并未兼顾随机数统计特性。因此，优化真随机数发生器输出序列的特性及其功耗等参数是很有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于环形振荡器的真随机数发生器，用于优化TRNG的性能。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于环形振荡器的真随机数发生器，包括一种基于环形振荡器的真随机数发生器，包括依次串联的熵源、采样模块和后处理模块；熵源包括两个饥饿环形振荡器，用于增加周期；采样模块包括依次串联的前级线性延时链、初级时间数字转换器、MUX结构和匹配电路，以及高级时间数字转换器，用于通过高精度采样收集饥饿环形振荡器产生的微小时钟抖动；后处理模块采用基于冯诺依曼校正器的熵提取器，用于得到低偏置高熵输出序列。
[0006]按上述方案，饥饿环形振荡器采用无源偏置，使饥饿环形振荡器工作在亚阈值区以增大噪声，从而增大抖动。
[0007]按上述方案，初级时间数字转换器和高级时间数字转换器之间采用时钟放大器连接，用于放大处理小抖动。
[0008]按上述方案，前级线性延时链包括start链和stop链；MUX结构用于选取前级线性延时链中start链的需要被放大的部分，并作为stop链的匹配电路。
[0009]按上述方案，基于冯诺依曼校正器的熵提取器包括7个VN结构，分别为VN0、VN1、VN2、VN3、VN4、VN5和VN6；每个VN结构均有一个输出，且VN0与VN1输出到VN4，VN2和VN3输出到VN5，VN4和VN5输出到VN6。
[0010]按上述方案，还包括级联的7个2选1的MUX结构，用于整合熵提取器的7个输出。
[0011]本专利技术的有益效果为：
[0012]1.本专利技术的一种基于环形振荡器的真随机数发生器，通过采用基于环形振荡器RO
的TRNG，产生低偏置、高熵值的随机序列输出，实现了对TRNG的性能的优化。
[0013]2.本专利技术按三个结构对TRNG进行优化，包括通过模拟振荡器的输出以测试并优化时间数字转换器电路；采用两级的时间数字转换器结构兼顾所采集的抖动信号的范围和大小；采用时间数字转换器对环形振荡器中的时钟抖动进行收集，经过处理之后获得低偏执高熵的输出序列。
[0014]3.本专利技术精简了电路结构和减小了整体电路消耗的功率，同时保证输出的随机数序列的特性不受影响。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例的TRNG的原理框图。
[0016]图2是本专利技术实施例的饥饿环形振荡器的电路原理图。
[0017]图3是本专利技术实施例的时间数字转换器的原理框图。
[0018]图4是本专利技术实施例的时间数字转换器的两级放大的电路原理图。
[0019]图5是本专利技术实施例的时间数字放大器的电路原理图。
[0020]图6是本专利技术实施例的MUX结构的电路原理图。
[0021]图7是本专利技术实施例的冯诺依曼熵提取器的结构图。
[0022]图8是本专利技术实施例的VN结构图。
[0023]图9是本专利技术实施例的级联的MUX结构图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0025]参见图1，本专利技术的实施例包括采用两个结构简单的饥饿环形振荡器作为熵源，用于增加周期；利用两级时间数字发生器进行高精度采样，能够收集振荡器中产生的微小时钟抖动；使用基于冯诺依曼校正器的熵提取器进行后处理，得到低偏置高熵输出序列。基于以上结构进行优化和结构精简，得到高性能，具有良好输出序列的TRNG。
[0026]参见图2，饥饿环形振荡器采用偏置使振荡器工作在亚阈值区，以增大噪声，从而增大抖动；不需要电压源提供偏置。
[0027]参见图3和图4，时间数字转换器采用两级放大的结构，两极之间用时钟放大器对小抖动进行放大处理；参见图5和图6，利用MUX选取前级线性延时链时间数字放大器中start链需要被放大的部分，并为stop链设计一个匹配电路。MUX解码器的编解码真值表如下：
[0028]Thermometer CodeGray CodeBinary Code0000000000010000001101010111111011111011
[0029]预计采用的冯诺依曼熵提取器的结构参见图7，VN结构参见图8。
[0030]用来整合熵提取器7个输出的优先级MUX，由7个2选1MUX级联构成，参见图9。
[0031]实验指标与硬件平台：使用Cadence Virtuoso软件对TRNG电路进行设计和仿真。
[0032]以上实施例仅用于说明本专利技术的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本专利技术的内容并据以实施，本专利技术的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本专利技术所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于：包括依次串联的熵源、采样模块和后处理模块；熵源包括两个饥饿环形振荡器，用于增加周期；采样模块包括依次串联的前级线性延时链、初级时间数字转换器、MUX结构和匹配电路，以及高级时间数字转换器，用于通过高精度采样收集饥饿环形振荡器产生的微小时钟抖动；后处理模块采用基于冯诺依曼校正器的熵提取器，用于得到低偏置高熵输出序列。2.根据权利要求1所述的一种基于环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于：饥饿环形振荡器采用无源偏置，使饥饿环形振荡器工作在亚阈值区以增大噪声，从而增大抖动。3.根据权利要求1所述的一种基于环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于：初级时间数字转换器和高级时间数字转换器之间采用时钟放大器连接，用于放...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晶晶，张凡武，雷鹏，刘仁龙，周乾，
申请(专利权)人：东风汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：