[发明专利]用于基于位单元稳定时间产生随机数的方法和设备

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年1月14日在美国专利和商标局申请的第14/597,146号非临时申请案的优先权和权益，其整个内容以引入的方式并入本文中。

技术领域

各种特征通常涉及随机数产生器，且更具体来说，涉及利用一或多个位单元的稳定时间作为熵源的随机数产生器。

背景技术

随着移动电子装置，例如便携电话裝置、膝上型计算机、平板计算机、集成电路(IC)卡等快速变成较常见，存在对保护小型电子电路中的数据的高级、稳健密码安全系统的增加的需求。此类密码安全系统可大体上分成公用密钥密码术和对称密钥密码术。在公用密钥密码术中，不同密钥用于信息的加密和解密。在此类系统中，通过使用于解密经加密的信息的一个密钥(例如私钥)保持在接收者处保密来确保安全性，而可使另一密钥(例如公钥)可供公众使用，使得发送者可使用其来在信息发送给接收者之前对其进行加密。相比之下，在对称密钥密码术中，单个密钥用于信息的加密和解密。在此类系统中，通过使所述密钥保持从第三方(即，排除接收者和发送者的各方)保密来确保安全性。

因此，在公用密钥和对称密钥密码学系统两者中，安全性取决于至少一个秘密密钥的机密性。如果秘密密钥是第三方以某种方式可存取或可计算的，那么密码系统的安全性可被破解。因此，应使用使第三方来猜测或计算秘密密钥几乎不可行的算法来执行秘密密钥产生。此类算法通常使用(第三方未知的)随机数来产生秘密密钥。

取决于它们如何产生，随机数大体上分成两组：伪随机数和真随机数。

伪随机数是指确定性计算所产生的一序列数的一部分，且是通过将种子馈送到伪随机数产生算法作为初始值来产生的。伪随机数是逻辑可预测的，只要其产生方法(即，伪随机数产生算法)是已知的。此外，如果种子是已知的，那么事先产生相同伪随机序列的数变为可能。出于此原因，当使用伪随机数来产生密码系统的秘密密钥时，经加密的信息的安全可能受到威胁。

相比之下，通过利用本质上具有随机特性的物理现象来产生真随机数。此类物理现象的实例包含(例如)电子装置中的热噪声、放射性衰变、网络数据的到达时序、电噪声等。不同于伪随机数，真随机数不具有再现性，且因此此类随机数无法被预测。出于此原因，利用真随机数来产生秘密密钥的密码系统比那些利用伪随机数的密码系统安全。

真随机数产生的一个熵源是静态随机存取存储器(SRAM)单元的初始状态(即，上电状态)，其理论上可为具有相等概率的逻辑1或0。存储器单元提供方便且低成本途径来提供熵，因为它们在集成电路上非常广泛。然而，归因于SRAM单元内不可避免的装置失配(例如一个反相器具有比另一反相器多的抽样/增益)，此类存储器单元在启动时具有偏向特定逻辑值(例如0或1)的自然倾向，且因此减少它们提供的熵。

需要较小且便宜并提供高熵和随机性的芯片上熵源。此类熵源可由随机数产生器用来产生用于多种应用程序中的真随机数，包含但不限于密码安全算法(例如加密密钥产生算法)、博彩、统计取样、计算机模拟、完全随机化的设计、蒙特卡洛法模拟，以及利用不可预测值的任何其它应用程序。

发明内容

一个特征提供随机数产生器，包括具有随机稳定时间的位单元；以及模/数转换器(ADC)，其经配置以接收所述随机稳定时间，且基于所述随机稳定时间产生随机数字输出值。根据一个方面，所述位单元包含六晶体管(6T)互补金属氧化物半导体(CMOS)静态随机存取存储器(SRAM)单元部分。根据另一方面，所述位单元包含至少两个预充电晶体管，其经配置以将所述位单元的差动输出节点初始化为初始化电压值。根据另一个方面，所述两个预充电晶体管经配置以断开，以便致使差动输出节点从初始化电压值转变为预充电电压值V_PC。

根据一个方面，所述初始化电压值为约正电源电压V_DD或负电源电压V_SS，且所述预充电电压值V_PC为0.5*V_DD±0.15*V_DD。根据另一方面，在差动输出节点转变为V_PC之后，它们彼此偏离，且稳定在对置稳定值。根据另一个方面，ADC是时间到数字转换器(TDC)。