[发明专利]随机数发生器

说明书

技术领域

本发明的领域涉及数据处理，具体来说，涉及随机数的生成。

背景技术

真随机数的生成是一项困难的任务。不同的方法已经尝试采用亚稳态事件来生成随机输出值。它们似乎都不太理想，并且倾向于处理输出以在它们发觉不存在时恢复随机性。在本质上是一个非随机过程。例如，一部分采用了冯·诺伊曼校正器来消除大量0和1(例如参见R.Brederlow等人的“采用单氧化层陷阱的随机电报噪声的低功率真随机数发生器”(ISSCC Dig.Tech.Papers，第536-532页，2006年2月))。这样一种校正仅用来掩盖以下事实：初始位流不是真正随机的，并且无法恢复真随机性。Kinniment等人的“采用亚稳性的芯片上随机数发生器的设计”(Proc European Solid-State circuit conf，第595-598页，2002年9月)公开了一种方法，它采用XOR(异或)校正器、利用亚稳性来放大热噪声，并且通过偏置系统来控制亚稳态操作，以产生相等数量的0和1。但是，这通过产生实际上缺乏随机性的相关流而危及到系统。

发明内容

本发明的第一方面提供一种用于产生随机输出值的电路，包括：双稳态电路，具有在其中输出0或1的两种稳定状态，并且具有在其中输出0与1之间的浮点值的平衡亚稳定状态，所述双稳态电路在接通后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一，所述状态取决于所述双稳态电路的端口上的电压电平；电压电平控制电路，用于控制所述双稳态电路的所述端口上的电压电平；时间测量电路，用于测量所述双稳态电路在接通之后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一所需的转变时间；以及控制逻辑，用于控制所述时间测量电路、所述电压电平控制电路以及所述双稳态电路的断开及接通，所述控制逻辑适于执行以下序列：控制所述电压电平控制电路来设置所述双稳态电路的所述端口上的预定电压电平，接通所述双稳态电路，检测所测量转变时间，并断开所述双稳态电路，以及若所测量的转变时间大于预定值，则输出所述双稳态电路的经转换的稳定状态作为所述随机输出值。

通过为电路提供亚稳定状态，电路可在那种亚稳定状态上平衡，然后，到稳定状态的任何转变起因于热过程，这些热过程是随机的。因此，到稳定状态的这种转变可用来产生真正随机的输出值。这种系统的一个潜在的问题是，不一定始终易于达到亚稳定状态。但是，本发明已经认识到，接通与转变到稳定状态之间所需的时间是电路在接通时是否最初处于亚稳定状态的指示。实际上，若它立即转变，则可能的是，电路首先没有在亚稳定状态中平衡，但是，若它需要较长时间，则它短暂地处于那种亚稳定状态。因此，具有亚稳定状态的双稳态电路不仅能够用于产生随机输出值，而且它转变所需的时间也可用作它是否最初处于那种亚稳态、因而用作输出值是否是真正随机输出值的量度。这消除了通过输出值本身来判断输出值的随机性的需要。

实际上，电路在接通时越接近亚稳定状态，则越有可能最终转变后的状态将起因于作为随机物理过程的热噪声。因此，不是必须修正输出流以尝试使它更随机，这是本质上一定有缺陷的过程，而是可修正输入，以使电路能够更接近其亚稳定状态。实际上，系统可通过随机物理过程、热噪声影响系统的方式来限制。

在一些实施例中，所述控制逻辑适于连续执行所述序列，以输出多个随机输出值。

序列的重复可用来产生例如可用于组成随机数的多个随机值。

在一些实施例中，响应不大于多个连续序列的所述预定值的所测量转变时间，所述控制逻辑适于执行复位操作，所述复位操作包括对于所述双稳态电路的所述端口上的不同的设置电压电平多次执行所述序列，并且在所述复位操作期间不输出转变后的稳定状态；以及在所述复位操作之后，所述控制逻辑适于将所述预定电压电平复位为所述复位操作期间输出最长平均转变时间的电压电平值。

为了确保双稳态电路继续接近其平衡点运行，有时可能需要执行复位操作。因此，控制逻辑适于检测所测量的转变时间下降到低于多个连续序列的预定值，根据情况选取该数。这表明，电路可能逐渐离开其最佳操作位置。在这种情况下，运行复位操作。复位操作改变双稳态电路的端口上的电压电平，并对每个不同的电压电平设置多次执行该序列，然后再选择产生了最长平均转变时间的设置电压电平，并将其复位作为后续序列的预定电压电平。电路保持为越接近以其亚稳定状态开始，则存在越多随机的并且可作为随机值输出的转变后的状态。因此，希望使它保持为尽可能接近，在本发明的实施例中，这通过检测电路电路从这种状态漂移的时间以及在必要时执行复位操作来进行。