[發明專利]用于基于位單元穩定時間產生隨機數的方法和設備

在審

• 申請號: 201580073009.8
• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN107111480A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 南·陳;章仁茂;陳敏
• 申請（專利權）人: 高通股份有限公司
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58;G11C7/10;G11C11/417
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司11287
• 代理人: 楊林勛

相關申請案的交叉參考

本申請案主張2015年1月14日在美國專利和商標局申請的第14/597,146號非臨時申請案的優先權和權益，其整個內容以引入的方式并入本文中。

技術領域

各種特征通常涉及隨機數產生器，且更具體來說，涉及利用一或多個位單元的穩定時間作為熵源的隨機數產生器。

背景技術

隨著移動電子裝置，例如便攜電話裝置、膝上型計算機、平板計算機、集成電路(IC)卡等快速變成較常見，存在對保護小型電子電路中的數據的高級、穩健密碼安全系統的增加的需求。此類密碼安全系統可大體上分成公用密鑰密碼術和對稱密鑰密碼術。在公用密鑰密碼術中，不同密鑰用于信息的加密和解密。在此類系統中，通過使用于解密經加密的信息的一個密鑰(例如私鑰)保持在接收者處保密來確保安全性，而可使另一密鑰(例如公鑰)可供公眾使用，使得發送者可使用其來在信息發送給接收者之前對其進行加密。相比之下，在對稱密鑰密碼術中，單個密鑰用于信息的加密和解密。在此類系統中，通過使所述密鑰保持從第三方(即，排除接收者和發送者的各方)保密來確保安全性。

因此，在公用密鑰和對稱密鑰密碼學系統兩者中，安全性取決于至少一個秘密密鑰的機密性。如果秘密密鑰是第三方以某種方式可存取或可計算的，那么密碼系統的安全性可被破解。因此，應使用使第三方來猜測或計算秘密密鑰幾乎不可行的算法來執行秘密密鑰產生。此類算法通常使用(第三方未知的)隨機數來產生秘密密鑰。

取決于它們如何產生，隨機數大體上分成兩組：偽隨機數和真隨機數。

偽隨機數是指確定性計算所產生的一序列數的一部分，且是通過將種子饋送到偽隨機數產生算法作為初始值來產生的。偽隨機數是邏輯可預測的，只要其產生方法(即，偽隨機數產生算法)是已知的。此外，如果種子是已知的，那么事先產生相同偽隨機序列的數變為可能。出于此原因，當使用偽隨機數來產生密碼系統的秘密密鑰時，經加密的信息的安全可能受到威脅。

相比之下，通過利用本質上具有隨機特性的物理現象來產生真隨機數。此類物理現象的實例包含(例如)電子裝置中的熱噪聲、放射性衰變、網絡數據的到達時序、電噪聲等。不同于偽隨機數，真隨機數不具有再現性，且因此此類隨機數無法被預測。出于此原因，利用真隨機數來產生秘密密鑰的密碼系統比那些利用偽隨機數的密碼系統安全。

真隨機數產生的一個熵源是靜態隨機存取存儲器(SRAM)單元的初始狀態(即，上電狀態)，其理論上可為具有相等概率的邏輯1或0。存儲器單元提供方便且低成本途徑來提供熵，因為它們在集成電路上非常廣泛。然而，歸因于SRAM單元內不可避免的裝置失配(例如一個反相器具有比另一反相器多的抽樣/增益)，此類存儲器單元在啟動時具有偏向特定邏輯值(例如0或1)的自然傾向，且因此減少它們提供的熵。

需要較小且便宜并提供高熵和隨機性的芯片上熵源。此類熵源可由隨機數產生器用來產生用于多種應用程序中的真隨機數，包含但不限于密碼安全算法(例如加密密鑰產生算法)、博彩、統計取樣、計算機模擬、完全隨機化的設計、蒙特卡洛法模擬，以及利用不可預測值的任何其它應用程序。

發明內容

一個特征提供隨機數產生器，包括具有隨機穩定時間的位單元；以及模/數轉換器(ADC)，其經配置以接收所述隨機穩定時間，且基于所述隨機穩定時間產生隨機數字輸出值。根據一個方面，所述位單元包含六晶體管(6T)互補金屬氧化物半導體(CMOS)靜態隨機存取存儲器(SRAM)單元部分。根據另一方面，所述位單元包含至少兩個預充電晶體管，其經配置以將所述位單元的差動輸出節點初始化為初始化電壓值。根據另一個方面，所述兩個預充電晶體管經配置以斷開，以便致使差動輸出節點從初始化電壓值轉變為預充電電壓值V_PC。

根據一個方面，所述初始化電壓值為約正電源電壓V_DD或負電源電壓V_SS，且所述預充電電壓值V_PC為0.5*V_DD±0.15*V_DD。根據另一方面，在差動輸出節點轉變為V_PC之后，它們彼此偏離，且穩定在對置穩定值。根據另一個方面，ADC是時間到數字轉換器(TDC)。