一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器及实现方法技术

本公开揭示了一种泊松过程辅助采样真随机数发生器，包括：激励单元，用于生成激励信号；噪声信号单元，用于生成闪烁噪声信号；泊松信号单元，用于生成泊松随机信号，并基于泊松随机信号对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中每两两相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。本公开一方面能够降低器件的选择性，另一方面生成的真随机数无需校准且有较好的无偏性。有较好的无偏性。有较好的无偏性。

【技术实现步骤摘要】
一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器及实现方法


[0001]本公开属于信息安全领域和集成电路领域，具体涉及一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器及实现方法。

技术介绍

[0002]随着信息化时代的到来，信息安全受到越来越多的关注。由于几乎所有的加密算法(如RSA、椭圆加密算法等)都需要用到随机数，因此具有随机数功能的密码芯片已成为安全应用中不可或缺的一部分。同时，随机数在蒙特卡洛等数学仿真方法和随机计算等新型计算范式中也有着广泛的应用。
[0003]随机数分为伪随机数和真随机数，其中伪随机数是通过数学算法和随机种子得到的，一定条件下可以重复得到；而真随机数是从自然界物理现象(如摇骰子、放射性衰变和热噪声等随机熵源)中提取得到，其不可重复性、不可预测性等优点受到工业界和学术界的广泛关注。
[0004]现有的真随机数发生器(true random number generator,TRNG)主要基于器件噪声和器件随机开关两种随机熵源。一方面，作为随机熵源的器件噪声主要包括高斯噪声和随机电报噪声，其中高斯噪声信号强度较弱，容易受到噪声干扰且需要较复杂的放大电路；而随机电报噪声偏置较差且不可控，同样需要外围电路进行后处理。另一方面，以器件随机开关作为随机熵源时需要设计复杂的波形和校准后处理电路。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器，该发生器能够降低器件的选择性，并且生成的真随机数无需校准且有较好的无偏性。
[0006]为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
[0007]一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器，包括：
[0008]激励单元，用于生成激励信号；
[0009]噪声信号单元，用于生成闪烁噪声信号；
[0010]泊松信号单元，用于生成泊松随机信号，并基于泊松随机信号对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；
[0011]感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中每两两相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。
[0012]优选的，所述噪声信号单元和泊松信号单元均包括如下任一：硅基、二维材料金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管和存储器。
[0013]优选的，所述噪声信号单元和泊松信号单元并联。
[0014]优选的，所述激励信号包括电压激励信号或电流激励信号。
[0015]优选的，所述电压激励信号或电流激励信号包括且不限于方波、正弦波、三角波、梯形波、阶梯波、锯齿波和混合波中任意一种。
[0016]优选的，所述闪烁噪声信号的信号强度通过激励信号的脉冲幅值进行调节。
[0017]优选的，所述泊松随机信号的信号参数通过激励信号的脉冲幅值和脉冲宽度进行调节。
[0018]优选的，所述感测单元包括差分比较器。
[0019]本公开还提供一种泊松过程辅助采样的真随机数发生方法，包括如下步骤：
[0020]S100：生成闪烁噪声信号；
[0021]S200：生成泊松随机信号，并基于泊松随机信号对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；
[0022]S300：对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特；
[0023]S400：重复执行步骤S100至步骤S300，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。
[0024]优选的，步骤S300中，通过将采样信号变换为前采样信号和后采样信号进行差分比较。
[0025]与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
[0026]1、本公开选用具有较高噪声密度的闪烁噪声作为随机熵源，与现有的基于高斯噪声和随机电报噪声的真随机数发生器相比，降低了器件的选择性；
[0027]2、本公开选用泊松随机信号对噪声进行采样获得采样信号，与现有的基于复杂校准电路的真随机数发生器相比，相应的真随机数无需校准且有较好的无偏性；
[0028]3、本公开选用差分比较作为后处理方式，与现有的基于复杂后处理电路的真随机数发生器相比，简化了后处理电路复杂度；
[0029]4、本公开提供的随机数发生器，尺寸小，结构简单，可靠性高，电路面积小，便于进行大规模集成，大大降低了随机比特流的成本，在信息加密、随机计算、神经网络等信息
具有良好的应用前景。
附图说明
[0030]图1为本公开一个实施例提供的一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器的电路图；
[0031]图2为本公开另一个实施例提供的一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器的工作原理图；
[0032]图3为本公开另一个实施例提供的一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器生成随机数的相对自相关(95％值)随泊松过程间隔常数的关系曲线；
[0033]图4为本公开另一个实施例提供的一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器生成随机数的相对自相关散点图。
具体实施方式
[0034]下面将参照附图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公
开的具体实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0035]需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0036]为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
[0037]一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器，包括：
[0038]激励单元，用于生成激励信号；
[0039]噪声信号单元，用于生成闪烁噪声信号；
[0040]泊松信号单元，用于生成泊松随机信号，并基于泊松随机信号对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；
[0041]感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中每两两相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。
[0042]上述实施例构成了本公开的完整技术方案。与现有的基于高斯噪声和随机电报噪声的真随机数发生器相比，由于闪烁噪声具有高噪声密度，不易受到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泊松过程辅助采样的真随机数发生器，包括：激励单元，用于生成激励信号；噪声信号单元，用于生成闪烁噪声信号；泊松信号单元，用于生成泊松随机信号，并基于泊松随机信号对闪烁噪声信号进行采样，以生成采样信号；感测单元，用于对采样信号进行感测，并将感测到的采样信号中每两两相邻的前采样信号和后采样信号进行差分比较，每次差分比较后输出1位随机比特，直至获得N位随机比特流，以进一步生成真随机数。2.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，优选的，所述噪声信号单元和泊松信号单元均包括如下任一：硅基、二维材料金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管和存储器。3.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述噪声信号单元和泊松信号单元并联。4.根据权利要求1所述的真随机数发生器，其中，所述激励信号包括电压激励信号或电流激励信号。5.根据权利要求4所述的真随机数发生器，其中，所述电压激励信号或电流激励信号包括且不限于方...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵泰，石光明，袁玺惠，高亚威，柴正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：