[发明专利]基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器

说明书

本发明实施例公开了基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，包括第一饥饿电流ROs、第二饥饿电流ROs、RO及计数器，其中，第一饥饿电流ROs与第二饥饿电流ROs的布局相同，均由输出端与输入端依次连接的与非门及8个饥饿电流反相器组成；RO为三级常规RO，由输出端与输入端依次连接的与非门及两个常规反相器组成；第一饥饿电流ROs的输出A和第二饥饿电流ROs的输出B对RO进行门控；计数器将RO的输出C作为时钟来量化模拟输出N，进而产生随机比特序列。本发明实施例通过在第一饥饿电流ROs和第二饥饿电流ROs的抖动噪声中提取随机性，解决了高吞吐量时功耗大的问题，进而达到了降低功耗的同时并提高了吞吐量的技术效果。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器。

背景技术

伪随机数发生器(Pseudo random number generators，PRNGs)已广泛用于随机过程的仿真和统计方法。虽然PRNGs生成的位序列是快速可重复的，但整个序列由其任意的起始值完全确定，并且具有由其状态数限定的有限周期。许多常见的确定性PRNGs是很容易出现缺陷的，并且表现出不明显的伪影，导致它们在需要大量随机数的密码学、彩票、神经网络模拟、统计测试等应用中表现不理想。即使是精心设计的PRNGs，也容易在马尔科夫链蒙特卡罗链分析和测试长期混沌的时间序列模拟时产生错误的结果。

与基于数学模型或公式设计的PRNG相反，真随机数发生器(True random numbergenerator，TRNG)是可以生成从完全非确定性物理过程中提取、独立均匀分布的真随机数的设备。即使所有关于设计的细节(例如，原理图、算法、运作等等)都公开，由于TRNGs可以产生无穷无尽的，完全随机并且不可预测的随机数据流，这些没有周期的随机数对于高要求的密码学应用程序而言，也是更加安全的。随着新兴设备和应用的复杂性越来越高，密码学、网络密集化和大数据分析方面进一步发展，PRNGs在建模，仿真，分析和测试方面变得越来越不尽人意。而另一方面，TRNGs的速度较慢，并且可能偏向于提取随机的低级时变信号。虽然集成电路中存在丰富的可用于生成随机信号的微观现象，但是产生真实随机数的过程本身可能引入相关性，使得生成的位序列与其不可预测性的理论断言相矛盾。为了将微弱的，不可预测的模拟噪声波动转换和放大到可测量的水平，通常需要由采样和模数转换器和/或其他一些电子电路构成的变换单元和放大单元将输出转换成数字比特流。由于这些单元的带宽有限并且单元之间存在互相关污染，当原始随机变化的信号被采样得太快时，连续的位往往是相关的。高吞吐量的TRNGs是十分耗电的，这限制了其被使用和集成到低成本和电池供电的系统中。

现有技术中，已有许多可用于TRNGs的片上CMOS结构。它们可以根据不同的噪声收集机制大致分类。作为经证实的白噪声源，热噪声是一种十分常用的随机源，它可以被直接放大来生成真随机数。然而，这种方法需要具有高功耗、宽带宽和高增益放大器，以将热噪声放大到可测量的水平以用于后续处理。基于亚稳定性的TRNGs能够产生高吞吐率的随机比特，但是，它们需要很大面积并需要额外的后处理电路来校准由于工艺变化而产生的系统偏差。目前的行业标准主要采用的TRNGs是采集两个自由运行的环形振荡器(RingOscillators，ROs)中的抖动噪声。这种方法使用慢速输出来对快速输出进行采样。它的特点是技术上实现简单且具有良好的随机性，但需要额外的大功耗的时钟发生器来提供足够的抖动变化。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于饥饿电流环形振荡器的真随机数发生器，以使能够降低功耗并提高吞吐量。