[發明專利]真隨機數亂源產生電路

在審

• 申請號: 202210134089.5
• 申請日: 2022-02-14
• 公開（公告）號: CN114520647A
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 蔡尚達
• 申請（專利權）人: 博流智能科技（南京）有限公司
• 主分類號: H03K3/84
• 分類號: H03K3/84;G06F7/58
• 代理公司: 上海大邦律師事務所 31252
• 代理人: 王松

本發明揭示了一種真隨機數亂源產生電路，包括若干環震蕩器及若干亂源接收器，各環震蕩器連接對應的亂源接收器；各環震蕩器包括環選擇器和若干反向器；環選擇器的輸出端連接一反相器，各反相器依次串接；設定反相器的輸出端還連接所述環選擇器的輸入端；各亂源接收器包括邏輯混合器、至少兩個D觸發器、比較器及不穩態計數器；邏輯混合器的輸出端分別連接各D觸發器的輸入端，各D觸發器的輸出端連接對應比較器的輸入端，比較器的輸出端連接不穩態計數器的輸入端。本發明可以減少流片前后端設計環震蕩器的時間,并且在流片后可以藉由調整震蕩器頻率來達到最佳的隨機性；同時,本發明芯片可以在不同的工作環境下都達到最佳的隨機性。

技術領域

本發明屬于電子電路技術領域，涉及一種亂源產生電路，尤其涉及一種真隨機數亂源產生電路。

背景技術

由于物聯網的蓬勃發展,越來越多裝置都能連上網絡.傳統不上網的裝置安全性往往要求較低,因為除非實體連接入侵裝置,否則一般不太容易泄漏用戶資料,反觀物聯網裝置不需要實體接觸即可連接,藉由空氣當介質傳輸資料時很容易被竊取資料,為了保護用戶的資料安全,資料加密傳輸是物聯網裝置必要的功能.加密安全性是基于金鑰的強度.而高強度的金鑰是由真隨機數產生器來生成.

常見的真隨機數產生器架構是由一個亂源產生器搭配隨機數產生器來構成,因為隨機數產生器已經有公開的協議標準(NIST 800-90A),因此只要按照協議來設計即可,而亂源產生器在協議標準(NIST 800-90B)中只有定義測試性能的方法,卻沒有規范設計方法,只要設計出足夠亂的亂源產生器通過協議測試即可.

在公開文獻中有討論采用靜態隨機存取存儲器(SRAM),類比數位轉換器(ADC),或者雙倍數據率同步動態隨機存取存儲器(DDR)來當作亂源,以上這些方法的亂源質量很好,可是面積成本都很高,很少在實際量產的產品中看到,量產產品中常見的作法使用Ring-Oscillator(環振蕩器)當作亂源產生器如圖1所示。

由奇數個反向器組成環,環的端點接到D觸發器,D觸發器的輸出就當作亂源產生器輸出，而D觸發器的D端和CK端時序如圖2、圖3所示。

因為D觸發器的時鐘(CK)頻率和環震蕩器的頻率不同,當時鐘在t1,t5,t9時刻不滿足D觸發器setup time時敲的資料會產生不穩態,利用這個不穩態的特性,每次取得的資料有隨機性,因此可以當作隨機數產生器的亂源。

為了增加隨機性,可以使用n個環震蕩器(chain_0～n),再把D觸發器的輸出用XOR閘接到一起當作亂源產生器的輸出，如圖4所示。

以n＝2為例子,D觸發器時鐘在t1,t2,t5,t9,t10時刻會敲到不穩態,和原本只有一條環震蕩器相比,增加了敲到不穩定態的機率，如圖5所示。

這個方法有以下的缺點：

(1)由圖5中可見t0～t10時間內,雖然時鐘在t1,t2,t5,t9,t10時刻會敲到不穩定資料,可是在大多數時刻t0,t3,t4,t6,t7,t8都敲到穩定的資料,不具有隨機性,因此環震蕩器的整體隨機性不好；

(2)由于環震蕩器只有一個比特輸出,每個時鐘只能取到一個比特亂源,吞吐量很低,使得產生金鑰的時間拉長；

(3)若要達到高隨機性和吞吐量,勢必要加入更多環震蕩器,這些環震蕩器會產生額外的面積和功耗,不符合物聯網產品需要低功耗的特性；

(4)亂源產生器的隨機性要等到流片后才能測試,而環震蕩器中的反向器數目一旦流片即無法更改,流片后若測試亂源不夠亂也沒有改善的方式。

有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的隨機數亂源產生方式，以便克服現有隨機數亂源產生方式存在的上述至少部分缺陷。

發明內容