随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于产生随机输出值的电路，包括：双稳态电路，具有在其中输出０或１的两种稳定状态，并且具有在其中输出０与１之间的浮点值的平衡亚稳定状态，所述双稳态电路在接通后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一，所述状态取决于所述双稳态电路的端口上的电压电平；电压电平控制电路，用于控制所述双稳态电路的所述端口上的电压电平；时间测量电路，用于测量所述双稳态电路在接通之后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一所需的转变时间；以及控制逻辑，用于控制所述时间测量电路、所述电压电平控制电路以及所述双稳态电路的断开与接通，所述控制逻辑适于执行以下序列：控制所述电压电平控制电路来设置所述双稳态电路的所述端口上的预定电压电平，接通所述双稳态电路，检测所测量的转变时间，并且断开所述双稳态电路，以及若所述所测量的转变时间大于预定值，则输出所述双稳态电路的转变后的稳定状态作为所述随机输出值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的领域涉及数据处理，具体来说，涉及随机数的生成。
技术介绍
真随机数的生成是一项困难的任务。不同的方法已经尝试采用 亚稳态事件来生成随机输出值。它们似乎都不太理想，并且倾向于 处理输出以在它们发觉不存在时恢复随机性。在本质上是一个非随机过程。例如， 一部分采用了冯.诺伊曼校正器来消除大量0和1 (例 如参见R.Brederlow等人的采用单氧化层陷阱的随机电报噪声的低 功率真随机数发生器(ISSCC Dig. Tech. Papers,第536-532页，2006 年2月))。这样一种校正仪用来掩盖以下事实初始位流不是真 正随机的，并且无法恢复真随才几性。Kinniment等人的采用亚稳性 的芯片上随机数发生器的设计，，(Proc European Solid-State circuit conf, 第595-598页，2002年9月)公开了一种方法，它采用XOR (异或) 校正器、利用亚稳性来放大热噪声，并且通过偏置系统来控制亚稳 态操作，以产生相等数量的0和1。但是，这通过产生实际上缺乏随 机性的相关流而危及到系统。
技术实现思路
本专利技术的第一方面提供一种用于产生随机输出值的电路，包括 双稳态电路，具有在其中输出0或1的两种稳定状态，并且具有在 其中输出0与1之间的浮点值的平衡亚稳定状态，所述双稳态电路 在接通后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一，所述状态取 决于所述双稳态电路的端口上的电压电平；电压电平控制电路，用于控制所述双稳态电路的所述端口上的电压电平；时间测量电路， 用于测量所述双稳态电路在接通之后从所述亚稳定状态转变为所述 稳定状态之一所需的转变时间；以及控制逻辑，用于控制所述时间 测量电路、所述电压电平控制电路以及所述双稳态电路的断开及接 通，所述控制逻辑适于执行以下序列控制所述电压电平控制电路 来设置所述双稳态电路的所述端口上的预定电压电平，接通所述双 稳态电路，检测所测量转变时间，并断开所述双稳态电路，以及若 所测量的转变时间大于预定值，则输出所述双稳态电路的经转换的 稳定状态作为所述随机输出值。通过为电路提供亚稳定状态，电路可在那种亚稳定状态上平衡， 然后，到稳定状态的任何转变起因于热过程，这些热过程是随机的。 因此，到稳定状态的这种转变可用来产生真正随机的输出值。这种 系统的一个潜在的问题是，不一定始终易于达到亚稳定状态。但是， 本专利技术已经认识到，接通与转变到稳定状态之间所需的时间是电路 在接通时是否最初处于亚稳定状态的指示。实际上，若它立即转变， 则可能的是，电路首先没有在亚稳定状态中平衡，但是，若它需要 较长时间，则它短暂地处于那种亚稳定状态。因此，具有亚稳定状 态的双稳态电路不仅能够用于产生随机输出值，而且它转变所需的 时间也可用作它是否最初处于那种亚稳态、因而用作输出值是否是 真正随机输出值的量度。这消除了通过输出值本身来判断输出值的 随机性的需要。实际上，电路在接通时越^l妾近亚稳定状态，则越有可能最终转 变后的状态将起因于作为随机物理过程的热噪声。因此，不是必须 修正输出流以尝试使它更随机，这是本质上一定有缺陷的过程，而 是可修正输入，以使电路能够更接近其亚稳定状态。实际上，系统 可通过随机物理过程、热噪声影响系统的方式来限制。在一些实施例中，所述控制逻辑适于连续执行所述序列，以输 出多个随机输出值。序列的重复可用来产生例如可用于組成随机数的多个随机值。 在 一 些实施例中，响应不大于多个连续序列的所述预定值的所 测量转变时间，所述控制逻辑适于执行复位操作，所述复位操作包 括对于所述双稳态电路的所述端口上的不同的设置电压电平多次执行所述序列，并且在所述复位操作期间不输出转变后的稳定状态； 以及在所述复位操作之后，所述控制逻辑适于将所述预定电压电平 复位为所述复位操作期间输出最长平均转变时间的电压电平值。为了确保双稳态电路继续接近其平衡点运行，有时可能需要执 行复位操作。因此，控制逻辑适于检测所测量的转变时间下降到低 于多个连续序列的预定值，根据情况选取该数。这表明，电路可能 逐渐离开其最佳操作位置。在这种情况下，运行复位操作。复位操 作改变双稳态电路的端口上的电压电平，并对每个不同的电压电平 设置多次执行该序列，然后再选择产生了最长平均转变时间的设置 电压电平，并将其复位作为后续序列的预定电压电平。电路保持为 越接近以其亚稳定状态开始，则存在越多随机的并且可作为随机值 输出的转变后的状态。因此，希望使它保持为尽可能接近，在本发 明的实施例中，这通过检测电路电路从这种状态漂移的时间以及在 必要时执行复位操作来进行。在一些实施例中，在所述复位操作期间，控制逻辑适于对序列 的初始和后续集合将所述设置电压电平修正一预定量，使得所述平 均转变时间增加，然后对序列的另 一个集合将所述设置电压电平修 正所述预定量，直到所述平均转变时间减小。可能有利的是，控制复位期间的电压电平的修正，使得转变时 间最初对于序列的各集合增加，然后转变时间开始减小。若发生这 种情况，则知道已经通过电压平衡点，以及只要电压没有调节太大 量，就可能已经达到亚稳定状态，因而序列集合的最长平均测量转 变时间将在接通时对应于亚稳定状态，并且产生它的电压将是适当 的预定4直。在一些实施例中，在所述复位操作期间，所述控制逻辑适于修 正接通时的所述电压电平，以与先前序列相比增加所述平均转变时置为所述预定电压电平，输出转变后的值作为所述随机输出值。复位操作可修正电压，直到平均转变时间大于预定值，然后将电压电平调节到该值。当选择预定值以表明已经达到亚稳定状态时，这提供复位电压电平的可接受方式。该预定值可存储在电路的^t据存储器中。可在制造时校准之后永久地存储在电路中，或者可在使用中校准电路，在这种情况下，它可能间断地被更新。作为备选的方案，必要时，它可从外部输入。 在一些实施例中，所述预定值响应所述控制电路执行校准操作而产生，所述校准操作包括对于不同的设置电压电平多次执行所 述序列而不输出转变后的稳定状态并确定最长平均转变时间，所述 控制电路适于多次执行其它序列，其中的所述电压电平设置为产生 所述最长平均转变时间的电压电平，所述控制电路适于分析其它序 列所产生的转变后的稳定状态，以确定所述锁存器是否在接通时处 于亚稳定状态以及是否将作为所述预定值来存储其它序列的最长平 均转变时间。该电路可经过校准以确定产生亚稳定状态的测量时间的预定 值。可在最初进行校准和/或必要时在操作中再次进行校准。例如，若甚至在复位之后仍然存在过快转变的许多连续序列，则可能需要 这种操作。在一些实施例中，若所述分析确定所述锁存器在接通时未处于 亚稳定状态，则所述电路可用于输出出错指示符。采用预定值的另 一 个优点在于，若所测量的转变时间没有超过 该值，则在系统中可能存在差4昔，并且可能输出出错指示符。若系 统处于确定性噪声的攻击之下，则这可能是有用的。在这样一种情 况下，则不会达到亚稳定状态，但出错指示符有助于检测该问题，然后可解决该问题。在一些实施例中，所述电-各包括另一个端口 ，所述端口和另一 个端口输出所述输出值，所述电压电平控制电路通过在接通时于所 述另 一个端口上提供恒定电压并在所述端口上提供所述设置电压电 平，来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生随机输出值的电路，包括：　　　　双稳态电路，具有在其中输出０或１的两种稳定状态并且具有在其中输出０与１之间的浮点值的平衡亚稳定状态，所述双稳态电路在接通后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一，所述状态取决于所述双稳态电路的端口上的电压电平；　　　　电压电平控制电路，用于控制所述双稳态电路的所述端口上的电压电平；　　　　时间测量电路，用于测量所述双稳态电路在接通之后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一所需的转变时间；以及　　　　控制逻辑，用于控制所述时间测量电路、所述电压电平控制电路和所述双稳态电路的断开与接通，所述控制逻辑适于执行以下序列：控制所述电压电平控制电路来设置所述双稳态电路的所述端口上的预定电压电平，接通所述双稳态电路，检测所测量的转变时间，并断开所述双稳态电路，以及若所测量的转变时间大于预定值，则输出所述双稳态电路的转变后的稳定状态作为所述随机输出值。

【技术特征摘要】
US 2006-10-12 60/851073;US 2007-7-19 11/8269961.一种用于产生随机输出值的电路，包括双稳态电路，具有在其中输出0或1的两种稳定状态并且具有在其中输出0与1之间的浮点值的平衡亚稳定状态，所述双稳态电路在接通后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一，所述状态取决于所述双稳态电路的端口上的电压电平；电压电平控制电路，用于控制所述双稳态电路的所述端口上的电压电平；时间测量电路，用于测量所述双稳态电路在接通之后从所述亚稳定状态转变为所述稳定状态之一所需的转变时间；以及控制逻辑，用于控制所述时间测量电路、所述电压电平控制电路和所述双稳态电路的断开与接通，所述控制逻辑适于执行以下序列控制所述电压电平控制电路来设置所述双稳态电路的所述端口上的预定电压电平，接通所述双稳态电路，检测所测量的转变时间，并断开所述双稳态电路，以及若所测量的转变时间大于预定值，则输出所述双稳态电路的转变后的稳定状态作为所述随机输出值。2. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制逻辑适于 连续执行所述序列以输出多个随机输出值。3. 如权利要求2所述的电路，其特征在于，响应所测量的转变 时间不大于多个连续序列的所述预定值，所述控制逻辑适于执行复 位操作，所述复位操作包括对所述双稳态电路的所述端口上的不同 的设置电压电平多次执行所述序列，并且在所述复位操作期间不输 出转变后的稳定状态；以及在所述复位操作之后，所述控制逻辑适 于将所述预定电压电平复位成在所述复位操作期间输出最长平均转 变时间的电压电平值。4. 如权利要求3所述的电路，其特征在于，在所述复位操作期 间，控制逻辑适于针对序列的初始和后续集合将所述设置电压电平 修正一预定量，使得所述平均转变时间增加，然后针对序列的另一 个集合将所述设置电压电平修正所述预定量，直到所述平均转变时 间减小。5. 如权利要求3所述的电路，其特征在于，在所述复位才喿作期 间，所述控制逻辑适于修正接通时的所述电压电平，以与先前序列 相比增加所述平均转变时间，以及响应所述平均转变时间超过所述 预定值，来将所述电压电平设置为所述预定电压电平。6. 如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述预定值存储在 所述电路的数据存储器中。7. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述预定值响应所 述控制电路执行校准操作而产生，所述校准操作包括对不同的设 置电压电平多次执行所述序列而不输出转变后的稳定状态并确定最 长平均转变时间，所述控制电路适于多次执行其它序列，其中所述 电压电平设置为产生所述最长平均转变时间的所述电压电平，所述 控制电路适于分析所述其它序列所产生的转变后的稳定状态，以确 定所述锁存器是否在接通时处于所述亚稳定状态，以及是否将存储 所述其它序列的所述最长平均转变时间作为所述预定值。8. 如权利要求7所述的电路，其特征在于，若所述分析确定所 述锁存器在接通时未处于所述亚稳定状态，则所述电路可用于输出 出错指示符。9. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路包括另一 个端口，所述端口和所述另一个端口输出所述输出值，所述电压电 平控制电路通过在所述另 一个端口上提供恒定电压并在所述端口上 提供所述设置电压电平，来控制接通时所述端口与所述另一个端口 之间的电压差。10. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双稳态电路 包括交叉耦合逆变器对。11. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双稳态电路 由高和低电压千线供电，所述控制电路适于通过提供所述高和低电 压干线上的电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：TN马奇，DT布劳夫，CA托库纳加，
申请(专利权)人：密执安大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]