[发明专利]真随机数发生器及产生真随机数的方法

说明书

本发明公开了一种包括多层膜结构的真随机数发生器，所述多层膜结构包括：导电层，配置成通入第一电流；第一磁性层，位于所述导电层之上，易磁化方向垂直于所述导电层与所述第一磁性层的交界面，配置成在所述第一电流的焦耳热作用下，所述第一磁性层的磁矩克服翻转能量势垒向垂直于所述交界面向上或向下的方向随机翻转；自旋流抵消层，位于所述第一磁性层之上，用于抵消所述导电层与所述第一磁性层的交界面上产生的自旋流对所述第一磁性层的磁矩产生的自旋轨道矩。本发明所提供的真随机数发生器，通过增加自旋流抵消层抵消了来自导电层的自旋轨道矩，克服了在自旋轨道耦合效应下的垂直磁化异质结器件的磁矩难以等概率发生向上和向下翻转的问题。

技术领域

本发明涉及信息安全与密码学技术领域，尤其涉及一种真随机数发生器及产生真随机数的方法。

背景技术

随机数在密码学协议、密钥管理、数字签名和身份认证等方面都扮演着重要的角色。现有技术中，随机数发生器包括伪随机数发生器(Pseudo Random Number Generator，PRNG)和真随机数发生器(True Random Number Generator，TRNG)。其中，伪随机数发生器利用软件算法生成随机数，例如使用编程语言计算推导生成随机数，具有可以预测的规律性和确定性。而真随机数发生器一般利用硬件生成随机数，例如利用一些物理信源的天然随机性生成随机数，包括热噪声、放射性衰变、电子电路噪声、光源噪声、电子振荡器频率抖动、量子噪声等物理信源，具有无法预测的自然随机属性，在加密应用中安全性更高。目前，计算机中央处理器(CPU)内置的真随机数发生器多以热噪声为熵源，由于需要屏蔽非随机噪声(如电源噪声)和设计随机噪声的低通放大电路，占用了较多的电路面积，并造成了能量消耗，而且单个真随机数发生器产生随机数的效率远远不能满足需求，因此常用真随机数发生器和伪随机数发生器组合使用，这样又造成了安全性的降低。

现有技术中，也有基于纳米厚度多层膜结构的磁性信息器件作为真随机数发生器，其具有可电学驱动、非易失、抗辐射、与现有半导体集成工艺兼容等优势。现有技术中的磁性信息器件真随机数发生器包括基于自旋转移矩效应(Spin-Transfer Torque，STT)、基于自旋轨道矩效应(Spin-Orbit Torque，SOT)和基于低势垒纳米磁体技术(Low BarrierNanomagnet，LBNM)的真随机数发生器。

其中，基于自旋转移力矩效应(STT)的真随机数发生器利用自旋阀(Spin Valve)或者磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJ)，如图1所示，磁隧道结(MTJ)为多层膜结构，包括依次堆叠的自由层、绝缘层、参考层、钉扎层和盖帽层。在热噪声下，磁隧道结的自由层的磁矩发生一定扰动，当具有自旋极化的电流垂直流过各层时，自由层的磁矩会受到自旋转移力矩的作用，并且当自旋转移力矩足够大时，会诱导自由层的磁矩发生随机翻转。当自由层的磁矩与参考层的磁矩平行时，磁隧道结(MTJ)呈现低阻态(逻辑“0”)，当自由层的磁矩与参考层的磁矩反向平行时，磁隧道结(MTJ)呈现高阻态(逻辑“1”)，由此产生“0”和“1”以相同概率随机分布的数字串。

基于自旋转移力矩效应(STT)的真随机数发生器需要具有自旋极化的电流通过脆弱的氧化物隧穿层，导致其使用寿命较低，并且，基于自旋转移力矩效应(STT)的真随机数发生器需要写入电流具有精确的脉冲幅值和脉冲宽度，因此，其稳定产生真随机数的条件较为苛刻。

基于自旋轨道耦合效应(SOT)的真随机数发生器包括重金属/铁磁/非磁构成的垂直磁化异质结，在垂直磁化异质结中，当面内电流沿水平方向流过重金属层时，由于自旋轨道耦合效应(SOT)，在铁磁层和重金属层的界面处将累积水平极化的纯自旋流，并对铁磁层的磁矩产生力矩(自旋轨道矩)，将其拉至面内水平的方向。又由于热扰动的存在，撤去水平电流时，垂直磁化异质结的铁磁层的磁矩会等概率(各50％)地向上或者向下随机翻转。由于反常霍尔电阻与磁矩有关，垂直磁化异质结将因为铁磁层的磁矩翻转而呈现高阻态(逻辑“1”)和低阻态(逻辑“0”)，由此产生“0”和“1”以相同概率随机分布的数字串。