[發明專利]基于RRAM的無偏真隨機數生成方法和生成器

有效

• 申請號: 201710049933.3
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106814991B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 楊玉超;張騰;殷明慧;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06F7/58
• 分類號: G06F7/58
• 代理公司: 11360 北京萬象新悅知識產權代理有限公司
• 代理人: 黃鳳茹

本發明公布了基于阻變存儲器RRAM的無偏真隨機數生成方法及生成器。將兩個RRAM通過并聯方式連接，使得阻變電壓同時施加在兩個RRAM上，兩個RRAM均處于高阻態且阻值不同；或通過串聯方式連接，使得阻變電壓通過分壓方式落在兩個RRAM上，控制施加的阻變電壓的大小為單個RRAM的阻變電壓的2倍，使得兩個RRAM的阻值分別處于高阻和低阻的隨機狀態；然后，方案A為交替施加正負不同的讀取電壓；方案B為將產生的信號再接入零位比較器并將兩個零位比較器的輸出端一起接入選擇器，同時添加一個周期的時鐘信號作為選擇信號，交替輸出兩個零位比較器的結果。本發明在保證產生無偏性真隨機數的同時，操作簡單易行，實用性強。

技術領域

本發明涉及信息科學技術領域，具體涉及基于阻變存儲器(RRAM)的無偏真隨機數生成方法以及生成器電路實現。

背景技術

隨機數在信息科學技術領域有著重要的應用。一方面隨著信息化時代的到來，信息安全已經越來越受到人們的重視，因此，具有高質量的、破譯難度較大的加密方法，已成為國內外的研究熱點，而大多數加密算法中，隨機數都是一個舉足輕重的要素。在此背景下，隨機數生成器得到了廣泛的關注和應用。另一方面，真隨機數在蒙特卡洛模擬、隨機過程建模等數學、仿真方法中也有著廣泛的應用。因此對隨機數生成器的研究從未中止過，而且愈演愈烈。特別是真隨機數，由于其具有不可重復性、不可預測性等優點，受到了國內外學者的廣泛重視。

為了產生真正的隨機數，一個真隨機數生成器必須有內在的隨機的物理現象作為支撐。RRAM，即阻變存儲器，作為一種新型存儲器，可以在外加電壓的激勵下實現自身阻值在高阻和低阻之間的轉變，其中，通過施加正向電壓使得RRAM由高阻態轉變為低阻態的過程被稱為Set過程，而通過施加反向電壓使得RRAM由低阻態轉變為高阻態的過程被稱為Reset過程。作為備受關注的新型存儲器的一員，RRAM在很多方面都有著得天獨厚的優勢，如高集成度、良好的CMOS兼容性、非揮發性、良好的保持特性、能實現多位存儲和易于三維集成等。其中，在應用于隨機數產生電路方面，RRAM也有著諸多本證的優勢，如本身隨機的阻變過程，操作速度快等等。

另外，即使對于同一個RRAM，器件本身Set和Reset過程所需電壓也有著統計上的漲落性。因此，有研究者據此通過施加統計意義上的Set或是Reset電壓的中位數來實現隨機的Set或Reset過程，進而得到隨機的RRAM阻態，從而對應到隨機的邏輯“1”和“0”。此種方法雖然利用了RRAM本身阻變過程的隨機性，但是由于RRAM在使用過程中器件的性能會產生一定程度的退化，這會導致統計意義上的阻變電壓的中位數會隨著器件的使用而發生變化，進而導致此種方法得到的隨機數并不是無偏的甚至根本不隨機。于是，有研究者在此基礎上利用一組RRAM器件來實現真隨機數的生成器。具體方式一般為利用兩個RRAM在Set或是Reset之后的分壓得到一個隨機的中間電壓，由于兩個RRAM在同時Set或是Reset之后的阻值相對大小是隨機的，因此分壓之后得到的中間電壓的大小也將是隨機的，這樣可以對應得到隨機的邏輯“1”和“0”。這種方式避免了由于器件的退化帶來的問題，但是又會引入器件與器件之間的漲落性的影響——即兩個器件被置于高阻態或低阻態后的阻值分布在統計上是有差異的，這樣的結果使得最終產生的隨機數仍然不是無偏的。因此，采用基于RRAM實現隨機數生成器的現有方法實際上并不能實現真正意義上的無偏真隨機數生成器。而現有的真隨機數生成器結構一般都比較復雜，也難以實現真隨機數的高速產生，實用性不強。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供基于阻變存儲器(RRAM)的無偏真隨機數生成方法及其電路實現(基于RRAM的無偏真隨機數生成器)，利用RRAM阻變過程的隨機性作為產生隨機數的熵源，并在產生隨機數過程中克服RRAM自身的退化和不同RRAM間的漲落帶來的負面影響；由此實現的真隨機數發生器在保證了無偏性的同時，在技術和操作上簡單易行，實用性強，可以實現無偏真隨機數的高速產生。