基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器制造技术

本发明专利技术实施例公开了基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B对RO进行门控；计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。本发明专利技术实施例通过在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机性，解决了高吞吐量时功耗大的问题，进而达到了降低功耗的同时并提高了吞吐量的技术效果。

A real random number generator based on a starvation current ring oscillator

The embodiment of the invention discloses a true random number generator based on current starved ring oscillator, including the first hunger current ROs, ROs, RO and the current second hunger counter, among them, the first hunger current ROs and second hungry current ROs the same layout, are composed of the output and input NAND gate are connected in turn and 8 current hunger inverter; level three RO conventional RO, composed of the output and input NAND gate are connected in turn and two conventional inverter; output B current output of ROs A first hunger and second hunger current ROs gated RO; counter will output C RO as a clock to quantify the analog output of the N, and random bit sequence. The embodiment of the invention extracts randomness from the jitter noise of the first starvation current ROs and the second starvation current ROs, and solves the problem of large power consumption when high throughput is achieved, so as to reduce the power consumption and improve the technical effect of throughput.

【技术实现步骤摘要】
基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器
本专利技术涉及集成电路
，尤其涉及一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器。
技术介绍
伪随机数发生器(Pseudorandomnumbergenerators，PRNGs)已广泛用于随机过程的仿真和统计方法。虽然PRNGs生成的位序列是快速可重复的，但整个序列由其任意的起始值完全确定，并且具有由其状态数限定的有限周期。许多常见的确定性PRNGs是很容易出现缺陷的，并且表现出不明显的伪影，导致它们在需要大量随机数的密码学、彩票、神经网络模拟、统计测试等应用中表现不理想。即使是精心设计的PRNGs，也容易在马尔科夫链蒙特卡罗链分析和测试长期混沌的时间序列模拟时产生错误的结果。与基于数学模型或公式设计的PRNG相反，真随机数发生器(Truerandomnumbergenerator，TRNG)是可以生成从完全非确定性物理过程中提取、独立均匀分布的真随机数的设备。即使所有关于设计的细节(例如，原理图、算法、运作等等)都公开，由于TRNGs可以产生无穷无尽的，完全随机并且不可预测的随机数据流，这些没有周期的随机数对于高要求的密码学应用程序而言，也是更加安全的。随着新兴设备和应用的复杂性越来越高，密码学、网络密集化和大数据分析方面进一步发展，PRNGs在建模，仿真，分析和测试方面变得越来越不尽人意。而另一方面，TRNGs的速度较慢，并且可能偏向于提取随机的低级时变信号。虽然集成电路中存在丰富的可用于生成随机信号的微观现象，但是产生真实随机数的过程本身可能引入相关性，使得生成的位序列与其不可预测性的理论断言相矛盾。为了将微弱的，不可预测的模拟噪声波动转换和放大到可测量的水平，通常需要由采样和模数转换器和/或其他一些电子电路构成的变换单元和放大单元将输出转换成数字比特流。由于这些单元的带宽有限并且单元之间存在互相关污染，当原始随机变化的信号被采样得太快时，连续的位往往是相关的。高吞吐量的TRNGs是十分耗电的，这限制了其被使用和集成到低成本和电池供电的系统中。现有技术中，已有许多可用于TRNGs的片上CMOS结构。它们可以根据不同的噪声收集机制大致分类。作为经证实的白噪声源，热噪声是一种十分常用的随机源，它可以被直接放大来生成真随机数。然而，这种方法需要具有高功耗、宽带宽和高增益放大器，以将热噪声放大到可测量的水平以用于后续处理。基于亚稳定性的TRNGs能够产生高吞吐率的随机比特，但是，它们需要很大面积并需要额外的后处理电路来校准由于工艺变化而产生的系统偏差。目前的行业标准主要采用的TRNGs是采集两个自由运行的环形振荡器(RingOscillators，ROs)中的抖动噪声。这种方法使用慢速输出来对快速输出进行采样。它的特点是技术上实现简单且具有良好的随机性，但需要额外的大功耗的时钟发生器来提供足够的抖动变化。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，以使能够降低功耗并提高吞吐量。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提出了一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，异或后的输出对RO进行门控；计数器与RO输出端连接；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化，计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。本专利技术实施例通过提出一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，通过在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机性，解决了高吞吐量时功耗大的问题，进而达到了降低功耗的同时并提高了吞吐量的技术效果。附图说明图1是本专利技术实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的结构示意图。图2是本专利技术实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的电路示意图。图3是本专利技术实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器的内部电路节点的时序图。图4是本专利技术实施例的常规反相器的电路图。图5是本专利技术实施例的饥饿电流反相器的电路图。图6是本专利技术实施例的E-TSPC异步L位计数器的结构示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本专利技术中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。请参照图1，本专利技术实施例的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器主要包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器。请参照图2，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成。当EN信号置为高电平时，与非门相当于一个常规反相器；当EN＝1时，形成九级饥饿电流ROs；本专利技术实施例通过改变饥饿电流反相器的充电和放电电流来调节饥饿电流ROs的振荡频率。RO为三级常规RO(RingOscillator，环形振荡器)，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成。第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，以提取抖动噪声，且异或后的输出对RO进行门控。第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化。当第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs产生抖动时，RO才会振荡，在本专利技术实施例中，可采用如下公式计算振荡周期N：其中τ是正常RO的周期，στ为第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs总的抖动标准差。因为计数长度L≈log22N，本专利技术实施例通过采用两个常规反相器和与非门来构造最小长度的RO以减小寄生电容并增大充电和放电电流，从而将振荡周期最小化，进而避免了单调相关以及提取了更多的随机比特；此外，本专利技术实施例的RO仅在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动周期内振荡，避免了不必要的电路开关活动，降低了功耗。实际应用中若有必要，还可以以面积和功耗为代价扩大栅极宽度以增大振荡频率。计数器与RO的输出端连接，将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列，计数器达到最大值后复位。作为一种实施方式，第一饥饿电流ROs及第二饥饿电流ROs中的饥饿电流反相器被偏置在亚阈值区域运行，且所述RO中的常规反相器在强反型区域中工作，进而能够使随机性最大化。本专利技术实施例从第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机位。RO是本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，异或后的输出对RO进行门控；计数器与RO输出端连接；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化，计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。

【技术特征摘要】
1.基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B被异或后与RO输入端连接，异或后的输出对RO进行门控；计数器与RO输出端连接；第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的抖动被异或，并被馈送到RO用于量化，计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。2.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，所述第一饥饿电流ROs及第二饥饿电流ROs中的饥饿电流反相器被偏置在亚阈值区域运行，且所述RO中的常规反相器在强反型区域中工作。3.如权利要求1所述的基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，其特征在于，在所述第一饥饿电流ROs的输出A...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹元，赵晓锦，郑文翰，宋德强，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44