[發明專利]一種基于閃存產生滿熵隨機數的方法和裝置

有效

• 申請號: 201510026059.2
• 申請日: 2015-01-19
• 公開（公告）號: CN104615407B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 夏魯寧;賈世杰;馬原;王雷;張瓊露
• 申請（專利權）人: 中國科學院信息工程研究所
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙)11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明屬于隨機數產生技術領域，特別涉及一種基于閃存產生滿熵隨機數的方法和裝置。

背景技術

隨著網絡的發展，對安全通信技術有了更高的要求，密碼技術的重要性與日俱增。由于隨機數是大多數密碼技術的核心，因此特別需要能產生真隨機數的裝置，以此來產生真正不可預測的隨機數。

大多數數學庫中的偽隨機數發生器雖能產生具有較好統計特性的偽隨機數序列，但這些軟件運行在具有確定性的計算機上，因此并不是真的不可預測。真隨機性需要用到一些硬件裝置，如二極管，放射性樣品等，由于電子噪聲或不可控變量的原因，它們的行為是真正不可預測的。

為產生真正不可預測的隨機數，已有一些方法被提出來了，其中大多數是基于硬件的隨機數發生器，并且需要專門的電路設計，它們可能具有非常好的速度與安全性能，但通常由于其昂貴的價格或缺少普遍可用性而不實用。

當前，閃存(即Flash存儲芯片，包括Nand Flash和Nor Flash)作為一種非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲的信息)的存儲器件，已經廣泛地應用于各種消費類電子產品中。智能手機、數碼相機等所使用的SD卡、TF卡，日常所用的U盤，以及逐漸普及的固態硬盤等都是以Nand Flash作為存儲器件的數據存儲裝置。Nand Flash芯片采用浮柵結構的晶體管作為存儲單元，如附圖1所示，這類結構具有兩個多晶硅柵極，其中一個有電氣連接，稱為控制柵，也就是一般意義上的柵極。另外一個沒有外引線的柵極，被完全包裹在一層二氧化硅絕緣層(隧道氧化層)內，因為這個特殊的柵極是浮空的，所以稱之為“浮置柵”。與隧道氧化層相連的是晶體管的源極，漏極以及硅襯底。浮柵晶體管的工作原理是利用浮置柵上根據是否儲存有電荷或儲存電荷的多少來改變晶體管的閾值電壓，從而改變存儲單元的外部特性。

如附圖2所示，Nand Flash的若干個存儲單元的晶體管的控制柵極通過“字線”連接，構成一頁(Page)，相鄰的多頁構成一塊(Block)。相鄰晶體管的漏極和源極頭尾相連，最高端的漏極接“位線”，最低端的源極與公共源極相連。通過位線相連的同一塊上的相鄰的兩個存儲單元屬于不同的頁。一個Nand Flash芯片中含有多個塊(常見的有8192塊或4096塊等)，一個塊包含多頁(常見的為32頁或者64頁)，一頁包含若干個字節(常見的為512Bytes或者2Kbytes)。

Nand Flash的編程和擦除操作，對Nand Flash的存儲單元進行編程(充電)操作，即通過在對應晶體管的控制柵極施加一定電壓，使得電子通過隧道氧化層進入浮置柵極，代表存儲信息“0”。對Nand Flash的存儲單元進行擦除(放電)操作，即通過將應晶體管的控制柵極接地，源極與漏極開路，使得電子從浮置柵極通過隧道氧化層進入硅襯底，代表存儲信息“1”。

在對Nand Flash的存儲單元不斷進行編程和擦除(充電和放電)的操作過程中，在靠近硅襯底的隧道氧化層中，交替的捕獲和釋放電子，從而產生離散的電流變化，導致產生了在電子設備中常見的隨機電子噪聲(RTN，Random Telegraph Noise)。由于RTN的存在，使得捕獲和釋放電子的時間是隨機的，即對Nand Flash的存儲單元的充電和放電時間是隨機的。

RTN的振幅與柵極的面積成反比(柵極面積越小，其振幅越大)，且與隧道氧化層的厚度有關。隨著Nand Flash生產工藝的提高，其存儲單元的單位面積逐漸減小，不同Nand Flash芯片生產工藝的差別，使得各存儲單元的隧道氧化層厚度存在微小差異，導致RTN對Nand Flash存儲單元的編程和擦除時間的影響增大且各異，即導致各存儲單元的編程完成時所需的部分編程次數，擦除完成時所需的部分擦除次數是隨機的。

由于屬于不同的頁的存儲單元在物理結構上是相鄰的，因此對1頁的存儲單元進行編程操作時，會對其相鄰頁的存儲單元的晶體管的浮置柵極與源極之間的電壓產生間接的影響，即產生間接的控制柵電壓。對1頁經過多次編程操作后，這種影響會導致其相鄰頁的存儲單元的柵極與硅襯底之間的二氧化硅絕緣層存儲電荷，并導致浮置柵中產生電荷，從而發生位翻轉現象，即存儲單元所存儲的信息由邏輯“1”變為邏輯“0”。相鄰頁各個存儲單元發生位翻轉的時間與各自隧道氧化層的厚度有關，由于Nand Flash芯片生產工藝的差別，使得各存儲單元的隧道氧化層厚度存在微小差異，導致各個存儲單元發生位翻轉的時間是隨機的。