【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ipc分类g06f7/58随机数或伪随机数发生器技术，属于密码学领域随机数发生技术，尤其是一种基于集成电路、硅基探测器及半导体光源发生光量子数的芯片系统以及利用奇偶特性以实现真随机数的方法。
技术介绍
1、随机数广泛应用于密码相关领域，加密算法需要密钥。密钥生成过程中需要随机数生成器(rng)，也称为随机位生成器(rbg)，以创建随机密钥或强密钥以及用于其他加密目的，例如，初始化向量和随机数。自然中很多物理性质可以用于产生随机数，本质特性在于利用某一个物理量服从于某一连续或离散分布，并可以探测到的信号值即为服从该分布的随机变量。
2、熵源(entropy source)：也即不可预测数据流的源，量子随机数产生系统首先需要具有不确定性的熵源。
3、现有的随机数生成系统，例如基于半导体集成电路及器件的系统，包含闪存器件以及忆阻器，以及基于光量子的特性探测器；在量子随机数的产生中，尽管有待进行进一步检测，但很多方法仍然声称其可以生成真随机数。此外，无论采取何种物理方式作为随机源，都需要对随即源产生的信号进行后处理，进而生成随机数。随机信号的后处理系统在整个随机数生成系统中有的重要的作用。在光量子随机源中，有多种光子特性可以作为随机源的来源，如利用光子到达探测器的时间所服从的某一分布、光的偏振特性、光的相位特性，这些方法多使用激光器作为熵源，提取光的特性需要额外的光学模块，这些光学模块给随机数产生系统增加了额外的成本。
4、中国专利申请cn 102637122 b基于物理噪声的奇偶性生成
5、中国专利申请200810117962.x公开一种生成真随机数的方法,该方法对二进制真随机数序列发生装置输出的二进制随机数序列进行如下处理：a)获取所述二进制随机数序列中的一个片段，该片段中，首位和末位为0或1中的一个，而其余位都为0或1中的另一个；b)根据所述片段的位数来输出二进制随机数0或1；c)重复循环步骤a)和b)，直至得到足够多的随机数为止。要求使用任意的真随机数发生器，以保证产生随机数的质量不受环境的影响。
6、在已有的随机数产生方式，如利用量子相位涨落(quantum phase fluctuation)、零差探测，以及利用真空散粒噪声(vacuum shot noise)，忆阻器以及各种电路机制产生真随机数。对于涉及光源作为熵源的已公开真随机数发生装置，多数需要提取光信息的额外模块，进而增加了系统的复杂性和成本；尤其是芯片化、小型化便于集成、抗干扰能力强、静态功耗低以及随机数输出速率高的高质量光量子真随机数产生系统的技术方案仍然较少公开。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述问题及技术需求，提出一种基于校验后处理生成奇偶特性光量子真随机数方法及芯片，以实现高质量真随机数产生系统芯片化、小型化、抗干扰能力强、静态功耗低以及随机数输出速率高的研究目的和功能。
2、随机数芯片,包括光源模块、探测器模块、数据后处理模块以及芯片时钟与控制模块；探测器模块通过读出电路将积分时间内由光源模块发生的光子数转换为电平，生成光生电流，并输出到随机数芯片像元阵列；随机数芯片通过行译码器选中像元阵列的行像元进行采样；随机数芯片通过采样电容积分，将光生电流转化为电压值；随机数芯片通过列译码器引出选中像元电压信号；对该电压信号通过比较器进行自检；随机数芯片将该电压信号转换成对应的服从泊松分布的数字信号；将该数字信号接入奇偶校验模块并进行奇偶数值判定，随机数芯片数字集成电路通过奇偶校验的方式对应到服从0-1均匀分布的数字随机数输出，该数字随机数为真随机数。
3、尤其是，探测器模块使用cmos光探测器，探测器模块又包括cis像元阵列与读出电路；cis像元阵列即为硅基pn结以阵列排布形成像元阵列构成探测器微元器件；读出电路中包括：行译码器、列译码器、采样和保持电路、信号放大模块amp以及模数转换模块adc；其中，芯片时钟与控制模块包括ic控制模块、时序模块、接口模块以及led控制模块。光源模块为半导体光源，采用led或ld。在随机数芯片外围控制信号接入随机数芯片的芯片时钟与控制模块即时序与控制单元后，随机数芯片的时钟与控制模块发出led发光驱动以及控制信号，并通过控制电路对光源模块即半导体光源的开关进行控制；同时，随机数芯片的芯片时钟与控制模块发出cis读取控制信号并接入探测器模块即cis像元与读出电路，然后，探测器模块连接进入数据后处理模块，再先后连接并驱动读出电压基准比较模块和奇偶校验模块；其中，探测器模块中读出电路的模数转换模块adc在输入数据后处理模块后由读出电压基准比较模块将n位宽的数字信号输入到奇偶校验模块，最后，由奇偶校验模块输出串行的数字随机序列；模数转换模块adc数模转换后得到数字随机数服从泊松分布，将模数转换模块adc输出的n位数字信号导入奇偶校验模块，将其n位二级制数据中的奇数对应为1，其中0与1的概率都近似为1/2，进而串行输出该随机数，其多位信号对应的数值服从均匀分布，通过数字异或门实现奇偶校验电路。
4、尤其是，cmos光探测器模块的cis像元阵列与读出电路上一定积分时间内，所能探测到的光子数服从泊松分布，即该信号值为服从泊松分布的随机变量x；将符合泊松分布的数字信号通过奇偶校验的方式转化为单个随机比特位。
5、尤其是，所述奇偶校验的方式采用数字集成电路实现，对数模转换后的n位数字信号进行奇偶校验，当有奇数个1输出为1，有偶数个1输出为0；或者，利用所述数字信号本身的数值的奇偶特性生成数字随机数。
6、尤其是，光源模块使用三五族材料的半导体光源；所述三五族材料的半导体光源为三五族发光二级管，指的是基于砷化镓、氮化镓等材料的在可见波段发光的半导体发光二极管(led)或半导体激光器(ld)。
7、尤其是，在探测器模块即cmos光探测器的读出电路中增设模拟基准电压比较模块，对像元输出的读出电压与基准电压值比较；所述模拟基准电压比较模块包括依次连接的一级数字比较器、寄存器和二级数字比较器；在数据后处理模块中设置读出电压基准比较模块，探测器模块的读出电路接入数据后，先接入读出电压基准比较模块，然后再接入奇偶校验模块。一级数字比较器用于筛查去除盲元，要求其像元读出电压大于基准电压值才能被输出；二级数字比较器用于筛查并去除过热像元，要求其像元读出电压小于基准电压值才能被输出。其中，一级数字本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.光量子数奇偶校验随机数芯片,包括四个主要模块，即，光源模块、探测器模块、数据后处理模块以及芯片时钟与控制模块；其特征在于，探测器模块通过读出电路将积分时间内由光源模块发生的光子数转换为电平，生成光生电流，并输出到随机数芯片像元阵列；随机数芯片通过行译码器选中像元阵列的行像元进行采样；随机数芯片通过采样电容积分，将光生电流转化为电压值；随机数芯片通过列译码器引出选中像元电压信号；对该电压信号通过比较器进行自检；随机数芯片将该电压信号转换成对应的服从泊松分布的数字信号；将该数字信号接入奇偶校验模块并进行奇偶数值判定，随机数芯片数字集成电路通过奇偶校验的方式对应到服从0-1均匀分布的数字随机数输出，该数字随机数为真随机数。
2.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，探测器模块使用CMOS光探测器，探测器模块又包括CIS像元阵列与读出电路；CIS像元阵列即为硅基PN结以阵列排布形成像元阵列构成探测器微元器件；读出电路中包括：行译码器、列译码器、采样和保持电路、信号放大模块AMP以及模数转换模块ADC；其中，芯片时钟与控制模块包括IC控制模块、时序模块
3.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，CMOS光探测器模块的CIS像元阵列与读出电路上一定积分时间内，所能探测到的光子数服从泊松分布，即该信号值为服从泊松分布的随机变量X；将符合泊松分布的数字信号通过奇偶校验的方式转化为单个随机比特位。
4.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，所述奇偶校验的方式采用数字集成电路实现，对数模转换后的N位数字信号进行奇偶校验，当有奇数个1输出为1，有偶数个1输出为0；或者，利用所述数字信号本身的数值的奇偶特性生成数字随机数。
5.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，光源模块使用三五族材料的半导体光源；所述三五族材料的半导体光源为三五族发光二级管，指的是基于砷化镓、氮化镓等材料的在可见波段发光的半导体发光二极管(LED)或半导体激光器(LD)。
6.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，在探测器模块即CMOS光探测器的读出电路中增设模拟基准电压比较模块，对像元输出的读出电压与基准电压值比较；所述模拟基准电压比较模块包括依次连接的一级数字比较器、寄存器和二级数字比较器；在数据后处理模块中设置读出电压基准比较模块，探测器模块的读出电路接入数据后，先接入读出电压基准比较模块，然后再接入奇偶校验模块；一级数字比较器用于筛查去除盲元，要求其像元读出电压大于基准电压值才能被输出；二级数字比较器用于筛查并去除过热像元，要求其像元读出电压小于基准电压值才能被输出；其中，一级数字比较器的一端接入正常信号的最小值，另一端输入接入像元的读出信号，输出信号为比较结果，将比较结果接入寄存器使能端口，符合信号最小值范围的信号进入二级数字比较器，与正常信号的最大值进行比较，比较结果接入寄存器使能端，寄存器接入进行比较的信号值，比较结果作为使能信号控制像元读出信号的输出。
7.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，CMOS光探测器的CIS像元阵列中，行译码器负责选中行；CIS像元阵列的每一行所有像元的行总线接在一起，通过地址译码器中的行译码器对当前读出行进行选中，并通过列译码器对其进行串行读出，然后通过源跟随器引出行信号；同一列所有CIS像元阵列中的像元的列信号接在一起给采样和保持电路做采样和保持，生...
【技术特征摘要】
1.光量子数奇偶校验随机数芯片,包括四个主要模块，即，光源模块、探测器模块、数据后处理模块以及芯片时钟与控制模块；其特征在于，探测器模块通过读出电路将积分时间内由光源模块发生的光子数转换为电平，生成光生电流，并输出到随机数芯片像元阵列；随机数芯片通过行译码器选中像元阵列的行像元进行采样；随机数芯片通过采样电容积分，将光生电流转化为电压值；随机数芯片通过列译码器引出选中像元电压信号；对该电压信号通过比较器进行自检；随机数芯片将该电压信号转换成对应的服从泊松分布的数字信号；将该数字信号接入奇偶校验模块并进行奇偶数值判定，随机数芯片数字集成电路通过奇偶校验的方式对应到服从0-1均匀分布的数字随机数输出，该数字随机数为真随机数。
2.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，探测器模块使用cmos光探测器，探测器模块又包括cis像元阵列与读出电路；cis像元阵列即为硅基pn结以阵列排布形成像元阵列构成探测器微元器件；读出电路中包括：行译码器、列译码器、采样和保持电路、信号放大模块amp以及模数转换模块adc；其中，芯片时钟与控制模块包括ic控制模块、时序模块、接口模块以及led控制模块；光源模块为半导体光源，采用led或ld。在随机数芯片外围控制信号接入随机数芯片的芯片时钟与控制模块即时序与控制单元后，随机数芯片的时钟与控制模块发出led发光驱动以及控制信号，并通过控制电路对光源模块即半导体光源的开关进行控制；同时，随机数芯片的芯片时钟与控制模块发出cis读取控制信号并接入探测器模块即cis像元与读出电路，然后，探测器模块连接进入数据后处理模块，再先后连接并驱动读出电压基准比较模块和奇偶校验模块；其中，探测器模块中读出电路的模数转换模块adc在输入数据后处理模块后由读出电压基准比较模块将n位宽的数字信号输入到奇偶校验模块，最后，由奇偶校验模块输出串行的数字随机序列；cis像元阵列即为硅基pn结以一定的工艺结构组成探测器微元器件，该探测器微元器件以阵列排布形成像元阵列；模数转换模块adc数模转换后得到数字随机数服从泊松分布，将模数转换模块adc输出的n位数字信号导入奇偶校验模块，将其n位二级制数据中的奇数对应为1，其中0与1的概率都近似为1/2，进而串行输出该随机数，其多位信号对应的数值服从均匀分布，通过数字异或门实现奇偶校验电路。
3.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，cmos光探测器模块的cis像元阵列与读出电路上一定积分时间内，所能探测到的光子数服从泊松分布，即该信号值为服从泊松分布的随机变量x；将符合泊松分布的数字信号通过奇偶校验的方式转化为单个随机比特位。
4.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，所述奇偶校验的方式采用数字集成电路实现，对数模转换后的n位数字信号进行奇偶校验，当有奇数个1输出为1，有偶数个1输出为0；或者，利用所述数字信号本身的数值的奇偶特性生成数字随机数。
5.根据权利要求1所述的光量子数奇偶校验随机数芯片，其特征在于，光源模块使用三五族材料的半导体光源；所述三五族材料的半导体光源为三五族发光二级管，指的是基于砷化镓、氮化镓等材料的在可见波段发光的半导体发光二极管(led)或半导体激光器(ld)。
6.根据权利要求1所述的光量子...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏从俊，于小媛，李在光，
申请(专利权)人：弦海上海量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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