[发明专利]CMOS兼容的高速低功率随机数生成器

说明书

提供了CMOS兼容的高速低功率随机数生成器及其使用技术。在一个方面，随机数生成器包括：噪声放大单元，被配置成生成放大的噪声信号，其中，噪声放大单元包括噪声放大单元晶体管，该噪声放大单元晶体管具有约为0的阈值电压(V_t,amp)；以及计算单元，其被配置成处理来自噪声放大单元的放大的噪声信号以生成随机数流，其中，计算单元包括计算单元晶体管，该计算单元晶体管具有大于噪声放大单元中的噪声放大单元晶体管的V_t,amp的V_t,compute的绝对值。对于数字实现，可以采用被配置成对放大的噪声信号数字化的模数转换器。对于模拟实施方案，可采用被配置成对放大的噪声信号进行采样的采样和保持电路。还提供了一种用于随机数生成的方法。

技术领域

本发明涉及随机数生成，更具体地，涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的高速低功率随机数生成器及其在随机数生成中的应用。

背景技术

随机数生成是安全系统的重要元素，并且广泛用于加密和安全通信。例如，可以生成唯一随机密钥，并且在主机和用户之间传送该唯一随机密钥，该唯一随机密钥如果是基于真随机数(而不是根据数学算法生成的伪随机数)生成的，则该唯一随机密钥原则上不可能被其他主机和用户解码。随机数也是随机计算所关心的。

然而，随机波动的物理源通常造成以下限制中的一个或多个：(i)它们需要高功率来生成例如雪崩二极管的散粒噪声、(ii)它们需要高功率来放大例如电阻器的热噪声、(iii)它们与半导体技术不兼容，例如真空管的散粒噪声。在系统已经受到电池功率对计算和信号传输的约束的许多应用中，功耗是重要的因素。

例如，诸如雪崩二极管(以及在更小程度上，齐纳二极管)的固态器件可以产生显著的散粒噪声，但是需要高偏置电压和/或电流以在该状况下操作。这种器件(例如，双极型晶体管的反向偏置的基极-发射极结)已经被用作随机数生成的噪声源。然而，对于诸如物联网(IoT)等对功耗具有严格约束的应用而言，所需功率太高。

因此，用于低功率、高速随机数生成的技术将是期望的。

发明内容

从第一方面来看，本发明提供了一种随机数生成器，包括：噪声放大单元晶体管，具有约为0的阈值电压(V_t,amp)；以及计算单元，被配置成处理来自噪声放大单元的放大的噪声信号以生成随机数流，其中，计算单元包括计算单元晶体管，该计算单元晶体管具有大于噪声放大单元中的噪声放大单元晶体管的V_t,amp的V_t,compute的绝对值。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于随机数生成的方法，该方法包括以下步骤：使用包括噪声放大单元晶体管的噪声放大单元生成放大的噪声信号，该噪声放大单元晶体管具有约为0的V_t,amp；以及使用包括计算单元晶体管的计算单元处理来自噪声放大单元的放大的噪声信号以生成随机数流，其中该计算单元晶体管具有大于噪声放大单元晶体管的V_t,amp的V_t,compute的正绝对值。

从另一方面来看，本发明提供了一种随机数生成器，包括：噪声放大单元，其被配置成生成放大的噪声信号，其中，噪声放大单元包括具有约为0的V_t,amp的至少一个负载晶体管和至少一个放大晶体管；以及计算单元，其包括模数转换器和数字处理器，其中，模数转换器被配置成对放大的噪声信号数字化，其中，数字处理器被配置成处理已被模数转换器数字化的放大的噪声信号以生成随机数流，并且其中，计算单元包括计算单元晶体管，该计算单元晶体管具有大于至少一个负载晶体管和至少一个放大晶体管的V_t,amp的V_t,compute的正绝对值。