真随机数发生器及真随机数生成方法技术

本发明专利技术公开了一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，所述多层结构自上向下包括：钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。本发明专利技术还公开了一种利用所述真随机数发生器的真随机数生成方法。本发明专利技术基于电压控制磁各向异性(VCMA)效应实现真随机发生器，所得到的随机数具有随机质量高，能耗低，速度快，集成化简单，与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺可兼容，不需要施加外磁场，操作过程简单稳定等特点。操作过程简单稳定等特点。操作过程简单稳定等特点。

【技术实现步骤摘要】
真随机数发生器及真随机数生成方法


[0001]本专利技术涉及计算机领域，特别是涉及一种利用磁各向异性的真随机数发生器。以及，一种利用所述真随机数发生器的真随机数生成方法。

技术介绍

[0002]随机数发生器被广泛用于生成各种应用的随机值。由于希望能够以安全的方式进行通信，计算机有一些内部系统来生成加密密钥。这些加密密钥通常是随机的“0”和“1”数字，由一个“随机数字发生器”(RNG)生成。随机数字发生器生成“0”和“1”数字的随机性期望被设计成完全不可预测的，包括对那些知道随机数字发生器如何设计的人。一个“真随机数发生器”(TRNG)使用一个非决定性的来源来产生随机性。
[0003]首次提出在磁性隧道结(MTJ)中使用电压控制磁各向异性(VCMA)来实现真随机发生器。磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一，表示饱和(或自发)磁化在不同晶体方向时自由能密度不同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。VCMA是指通过电压来调控物质的磁性随方向而变的现象。利用VCMA实现磁化翻转作为第三代新型磁性存储器被证明拥有很大的应用前景。
[0004]真随机数发生器可以通过利用一种预计是随机的物理现象，并将结果转化为随机数，如热噪声、大气噪声或核衰变。然而，这些方法对于统计学和密码学的应用来说太慢了。虽然，还可以依赖于特定系统的人类用户的行为。例如，一些与安全有关的计算机软件要求用户进行一系列冗长的鼠标动作或键盘输入，以创造出生成随机密钥或初始化伪随机数生成器所需的足够熵。然而，人类主体在生成随机序列时有一定程度的非随机性，这使得这些方法不能成为真随机数生成器。现如今大多数真随机数发生器的设备都很昂贵，需要高功率，生成随机数的速度很慢，而且很容易被黑客攻击。
[0005]在现有技术中，虽然出线了多种真随机数发生器，但它们都存在着各种技术缺陷有待解决。
[0006]1、专利号：US9087593B2，通过利用通过磁隧道结的交流电流来生成随机数的装置和方法。随机“0”和“1”位的速度和概率可由交流电流的频率和振幅控制。增加交流电流的直流偏压可以控制获得“0”或“1”位的概率。该解决方案通过交流电控制增加集成难度，更不要说还要加上直流偏压，不利于集成适用性有限。
[0007]2、专利号：WO2014062705A1，说明了一种利用STT
‑
MTJ熵控制器控制系统，该控制器通过监测基于MTJ的RNG的健康状况来决定是否继续生成随机数。如果随机数生成器的健康状况高于阈值，STT
‑
MTJ熵控制器就会关闭基于MTJ的随机数生成器。如果随机数生成器的健康状况低于阈值，熵控制器允许基于MTJ的随机数生成器根据指定的算法生成随机数，其输出经过后处理并由一个具有加密质量的确定性随机位生成器使用，为请求的芯片组生成安全密钥。大多数可用于熵控制的物理设备都很昂贵，需要高功率。该解决方案生产成本高，并且产生数据的速度很慢。
[0008]3、专利号：US10365894B2，自由层和固定层面外磁化的磁隧道结MTJ，并施加接近MTJ翻转阈值的磁化场H
offset
；通过改变注入随机电流大小以形成STT和H
offset
以及热激发相互竞争以达到随机的平行或反平行状态。形成用于根据MTJ装置的电阻状态生成随机数的逻辑。该解决方案在无法定量确定热激发大小的情况下，要完美调节STT的电流大小，H
offset
大小使产生50％概率的平行或反平行的状态是几乎不可能的。随机概率受温度影响是巨大的，需要外磁场使得集成难度加大，难于实施，适用范围受到限制，不易推广使用。
[0009]4、专利号：US10078496B2，利用一个势垒能量为20k
B
T的MTJ装置连接一个偏置电路，还有脉冲高度鉴别器和时间
‑
振幅转换器，通过电流或外磁场或者热波动产生随机翻转以生成随机比特流。再通过数字信号处理产生随机数。该解决方案的势垒需要准确给定，但是一旦装置被造出来也只能适用于给定的温度，对于常规使用是不可能的，适用范围受到限制，不易推广使用。
[0010]5、专利号：US9110746B2，操作的STT电流通过MTJ，使自由磁性层的第一磁化方向切换到第二磁化方向，磁化方向的切换导致MTJ的电阻发生变化，并定期对MTJ的电阻进行采样以生成随机数的位值。该解决方案热波动影响很大以及STT电流的选取很难，速度也比较慢。
[0011]6、专利号：US9164729B2，一种利用STT
‑
MTJ从具有状态A和状态B的物理熵源生成随机二进制序列的方法和装置，通过检测物理熵源是否处于状态A或状态B，尝试以概率方式将物理熵源的状态转移到相反的状态，并根据检测到的状态和尝试转移前物理熵源的状态产生四个输出之一。输出被放置在第一和第二队列中，并从每个队列中成对提取。根据从每个队列中提取的序列，输出随机二进制比特。大多数可用于熵控制的物理设备都很昂贵，需要高功率。该解决方案生产成本高，并且产生数据的速度很慢。
[0012]7、专利号：US10534579B2，系统包括一个钉扎层；一个位于钉扎层上方的金属层；一个位于金属层上方的自由层；一个加热装置，用于加热自由层以诱导自由层中的超顺磁热不稳定性，由此自由层的磁化在其加热时在不同的可检测磁状态之间随机切换；以及一个磁阻检测电路，用于检测自由层的瞬时磁状态。该解决方案需要一个加热装置，使得集成困难，不利于集成。
[0013]8、专利号：US20100174766A1，三层铁磁和两层势垒组成的，自旋极化电流是通过流经与自由层和固定层都垂直的自旋极化材料的脉冲电流产生的。自旋极化电流被注入到自由层中，而随机逻辑位值是由脉冲电流持续时间的变化或热特性的变化产生的。该解决方案无法保证撤去电流后两状态的概率一样，因此该解决方案无法保证产生真随机数。
[0014]9、专利号：CN108762722A，一种基于正交磁性隧道结的真随机数发生器，呈多层磁性隧道结结构，包括自下至上呈多层塔状结构布置的电极层、磁性层、隧穿层；磁性层为铁磁材料，隧穿层为金属氧化物。位于上部的二层磁性层均具有面内的单轴的磁各向异性，位于下部的一层磁性层具有垂直于膜面方向的单轴磁各向异性，在写阶段，写电流施加在该真随机数发生器上，磁化方向变为垂直于膜面，处于暂稳态；在读阶段写电流停止，在各向异性场和退磁场的共同作用下，磁性层的磁化方向回到其各向异性轴的方向，热扰动情况下磁化方向即随机偏向任意一边，具体偏向以向各磁性层和隧穿层组成的磁性隧道结中施加读电流得到，以此产生真随机数。和专利US20100174766A1的思路基本一样。该解决方案自由层在撤去电流后是否两状态的概率无法保证一样，该解决方案无法保证产生真随机
数。
[0015]10、专利号：CN109165007A，利用自旋霍尔效应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真随机数发生器，其形成为上电极和下电极之间的多层结构，其特征在于，所述多层结构自上向下包括：钉扎层，其形成在所述多层结构的第一层；固定磁性层，其形成在所述钉扎层下方；隧穿势垒层，其形成在所述固定磁性层下方；自由磁性层，其形成在所述隧穿势垒层下方，其磁矩方向为信息的载体；其中，固定磁性层和自由磁性层具有单磁畴或多磁畴。2.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于：所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层能形成面内方向磁化或面外方向磁化。3.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，还包括：磁场产生装置，其用于向自由磁性层施加磁场。4.如权利要求3所述的真随机数发生器，其特征在于：所述磁场产生装置是所述多层结构外部的磁场产生件；或，所述磁场产生装置是形成在在所述多层结构中任意位置的磁场产生层。5.如权利要求1
‑
4任意一项所述的真随机数发生器，其特征在于：所述钉扎层、固定磁性层、隧穿势垒层和自由磁性层水平截面形成为椭圆形。6.如权利要1
‑
4任意一项所述的真随机数发生器，其特征在于：所述固定磁性层和自由磁性层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成，所述隧穿势垒层由金属氧化物制成。7.如权利要求5所述的真随机数发生器，其特征在于：所述椭圆形长轴a和短轴b的比值范围为1
‑
5。8.如权利要求4所述的真随机数发生器，其特征在于：所述外部的磁场产生件是磁铁或奥斯特场；所述磁场产生层是偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层或磁性掩膜层。9.如权利要求8所述的真随机数发生器，其特征在于：所述偏置铁磁层、交换偏置层、形状梯度层、斯格明子层和磁性掩膜层由铁磁、反铁磁或亚铁磁材料制成。10.如权利要求8所述的真随机数发生器，其特征在于：所述磁场产生层位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱政，吴迪，
申请(专利权)人：苏州凌存科技有限公司，
类型：发明
国别省市：