[发明专利]真随机数乱源产生电路

说明书

本发明揭示了一种真随机数乱源产生电路，包括若干环震荡器及若干乱源接收器，各环震荡器连接对应的乱源接收器；各环震荡器包括环选择器和若干反向器；环选择器的输出端连接一反相器，各反相器依次串接；设定反相器的输出端还连接所述环选择器的输入端；各乱源接收器包括逻辑混合器、至少两个D触发器、比较器及不稳态计数器；逻辑混合器的输出端分别连接各D触发器的输入端，各D触发器的输出端连接对应比较器的输入端，比较器的输出端连接不稳态计数器的输入端。本发明可以减少流片前后端设计环震荡器的时间,并且在流片后可以藉由调整震荡器频率来达到最佳的随机性；同时,本发明芯片可以在不同的工作环境下都达到最佳的随机性。

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种乱源产生电路，尤其涉及一种真随机数乱源产生电路。

背景技术

由于物联网的蓬勃发展,越来越多装置都能连上网络.传统不上网的装置安全性往往要求较低,因为除非实体连接入侵装置,否则一般不太容易泄漏用户资料,反观物联网装置不需要实体接触即可连接,藉由空气当介质传输资料时很容易被窃取资料,为了保护用户的资料安全,资料加密传输是物联网装置必要的功能.加密安全性是基于金钥的强度.而高强度的金钥是由真随机数产生器来生成.

常见的真随机数产生器架构是由一个乱源产生器搭配随机数产生器来构成,因为随机数产生器已经有公开的协议标准(NIST 800-90A),因此只要按照协议来设计即可,而乱源产生器在协议标准(NIST 800-90B)中只有定义测试性能的方法,却没有规范设计方法,只要设计出足够乱的乱源产生器通过协议测试即可.

在公开文献中有讨论采用静态随机存取存储器(SRAM),类比数位转换器(ADC),或者双倍数据率同步动态随机存取存储器(DDR)来当作乱源,以上这些方法的乱源质量很好,可是面积成本都很高,很少在实际量产的产品中看到,量产产品中常见的作法使用Ring-Oscillator(环振荡器)当作乱源产生器如图1所示。

由奇数个反向器组成环,环的端点接到D触发器,D触发器的输出就当作乱源产生器输出，而D触发器的D端和CK端时序如图2、图3所示。

因为D触发器的时钟(CK)频率和环震荡器的频率不同,当时钟在t1,t5,t9时刻不满足D触发器setup time时敲的资料会产生不稳态,利用这个不稳态的特性,每次取得的资料有随机性,因此可以当作随机数产生器的乱源。

为了增加随机性,可以使用n个环震荡器(chain_0～n),再把D触发器的输出用XOR闸接到一起当作乱源产生器的输出，如图4所示。

以n＝2为例子,D触发器时钟在t1,t2,t5,t9,t10时刻会敲到不稳态,和原本只有一条环震荡器相比,增加了敲到不稳定态的机率，如图5所示。

这个方法有以下的缺点：

(1)由图5中可见t0～t10时间内,虽然时钟在t1,t2,t5,t9,t10时刻会敲到不稳定资料,可是在大多数时刻t0,t3,t4,t6,t7,t8都敲到稳定的资料,不具有随机性,因此环震荡器的整体随机性不好；

(2)由于环震荡器只有一个比特输出,每个时钟只能取到一个比特乱源,吞吐量很低,使得产生金钥的时间拉长；

(3)若要达到高随机性和吞吐量,势必要加入更多环震荡器,这些环震荡器会产生额外的面积和功耗,不符合物联网产品需要低功耗的特性；

(4)乱源产生器的随机性要等到流片后才能测试,而环震荡器中的反向器数目一旦流片即无法更改,流片后若测试乱源不够乱也没有改善的方式。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的随机数乱源产生方式，以便克服现有随机数乱源产生方式存在的上述至少部分缺陷。

发明内容