[发明专利]用于使用物理熵源来生成随机数的方法和装置

说明书

公开领域

本公开涉及将物理熵源用作随机数发生器(RNG)的方法且涉及包括物理熵源的RNG，尤其涉及使用磁性隧道结(MTJ)来生成随机数而不用在顺序生成的随机数之间设置该MTJ的状态的方法，且涉及被配置成执行该方法的RNG。

背景

伯努利二进制序列是位序列(例如，0和1的序列)，其中每一位都有特定概率是‘1’，该概率独立于该序列中的任何其他位的值。有时也被笼统地称为“随机数”的随机二进制序列是伯努利序列的特例，其中任何特定位是‘1’的概率都是50％。随机二进制序列在其是基于种子值从复杂公式中计算出的时候可以被称为是伪随机的。然而，序列中的接下来的伪随机数在种子值和公式已知的情况下可以是可预测的，并且这些伪随机数经常展现至少某种程度的相关性。真正的、不相关的随机数可通过测量或观察具有不可预测的状态的物理熵源来生成。其中状态基于量子力学现象的系统对于生成随机序列是特别有用的，因为该系统的下一状态不仅难以预测，而且是不可知的。

自旋转移矩(STT)磁性隧道结(MTJ)是可存在于两个二进制状态之一中且其中状态之间的切换是概率性的物理熵源的示例。STT-MTJ由此适于用作伯努利序列或随机数发生器的组件。图1和2解说了由三层：固定层102、壁垒层104、和自由层106形成的STT-MTJ元件100。固定层102和自由层106是由铁磁材料形成的，并且固定层102的磁化方向是钉扎的或即固定的。该层也可被称为“参考”层。另一方面，自由层106的磁化方向可通过对STT-MTJ元件100施加电流来改变并且可以在其中自由层106的磁化方向与固定层102的磁化方向平行的平行状态与其中自由层106的磁化方向与固定层102的磁化方向相反或反平行的反平行状态之间切换。图1示出了处于反平行状态的STT-MTJ元件100，而图2示出了处于平行状态的STT-MTJ元件100。这种双状态器件能用作其中平行状态和反平行状态中的一者表示逻辑“0”而另一者表示逻辑“1”的存储器元件。

数据通过自旋矩转移磁化切换来被写入STT-MTJ元件100。对STT-MTJ元件100施加电流导致电子隧穿壁垒层104并影响自由层106的磁化方向。在一个方向上施加电流将磁化方向从平行切换至反平行，并且使电流反向则将自由层106的磁化状态从反平行切换至平行。STT-MTJ元件100具有取决于自由层106的磁化方向的电阻值。通过使小读电流流经STT-MTJ元件100并测量STT-MTJ元件100的电阻来从STT-MTJ元件100中读取数据。图2中的处于平行状态的STT-MTJ元件100的电阻典型情况下大约为处于反平行状态的STT-MTJ元件100的电阻的一半。

如上所述，STT-MTJ元件100从一个状态向另一状态的切换是概率性的。STT-MTJ元件100从一个状态切换至另一状态的概率基于施加给STT-MTJ元件100的电压或电流的电平与其间施加该电压或电流的时间的组合。由此，较高电压和电流与较低电压或电流相比可以在更短的时间内将STT-MTJ元件100从一个状态切换至另一状态，并且施加电压或电流越久，将发生状态切换的似然性就越大。对于本文的讨论，将假定切换概率是通过控制其间向STT-MTJ元件100施加恒定电压(或恒定电流)的时间来控制的。

图3是STT-MTJ元件100基于其间施加特定切换电压的时间从一个状态切换至另一状态的概率的图表。下面一条线解说在施加0.6伏参考电压时的切换概率，而上面一条线解说在施加0.7伏参考电压时的切换概率。在任一电压电平，当将该电压施加了非常短的时间时，STT-MTJ元件100的切换概率非常小。下面一条线示出，当向STT-MTJ元件100施加0.6伏达较长时间时，切换概率提高，但即使在100ns后，0.6伏情况下STT-MTJ元件100切换的概率仍小于50％。然而，当施加0.7伏时，在大约20ns后STT-MTJ元件100切换的概率为约50％。当施加0.7伏达较长时间时，STT-MTJ元件100的切换概率在80ns后变成非常接近于100％。图3由此解说了对于非常短的时间段、或在低电压电平情况下，切换STT-MTJ元件100的状态的概率约为0。由此，STT-MTJ元件100的状态可通过足够低和/或具有足够短的历时的读电压来读取，以避免切换STT-MTJ元件100的状态。