[发明专利]基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器

说明书

本发明为基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，包括十字交叉状自旋流生成层以及自下至上依次堆叠的：磁性材料层、绝缘层和盖帽层，或者是包括长条形自旋流生成层以及自下至上依次堆叠的：第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层，共二种结构；第一种结构的十字交叉状自旋流生成层上设置有读、写二对电极，第二种结构的长条形自旋流生成层上设置有写电极，盖帽层上设置有读电极；本发明真随机数发生器的随机性体现在磁性材料层或第一铁磁层上，通过调控自旋流生成层的写电流实现磁矩的随机性。简单结构，无复杂的附加电路，器件尺寸为纳米级，功耗低，可集成在各种便携的IC卡或可穿戴设备上，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明涉及基于自旋轨道耦合效应和热扰动的真随机数发生器，具体为一种基于自旋轨道耦合效应(SOT)和热扰动的真随机数发生器，可为数值模拟、密码学和通信安全领域提供安全高质量的随机数，属数字信息安全技术领域。

背景技术

互联网持续发展的今天，信息爆炸式增长，随之而来的是信息安全问题。据估算，2013年全球因网络安全问题导致的经济损失就达到5000亿美元，2014年网络安全已提升为国家战略。而实现网络信息安全的主要手段就是密码技术，包括对称加密、非对称加密、数字签名等，它们的核心都是要使用“随机码”对信息进行明文加密，因此随机数的的质量是决定信息安全的关键因素。

早期的随机数发生器伴随着编程语言的出现而诞生，其本质是用某种数学方法由“种子”递推出随机数列，我们把这种随机数列叫做伪随机数。1946年冯·诺伊曼提出了平方取中法：选择一个m位数Ni作为种子，做平方运算（记为Ni+ 1 = （Ni * Ni）...)，在这个数选中间m个位的数作为Ni+1。这个算法明显有很大弊端，不仅周期短而且分布不均匀，比如10000平方取中结果就一直为00000了；初如果初值为3792,其平方为14379264，其中间数字仍为3792。之后出现的同余法、移位指令法和梅森旋转算法等，对随机数的质量有所提高，但以上的的随机数都有一个共同的弊端，它们都是由某种数学方法推导而来，具有规律性和确定性，不能叫做真正的随机数；并且只要破解了生成随机数的算法，随机数列自然也被破解。因此，人们迫切需要质量更高的真随机数来满足现实需求。

现代密码学中认为，真随机数有以下几个特征：（1）不可预测性，（2）不可重复性，（3）可以通过随机性检验。为了产生不被破解的真随机数，人们想到利用很多物理信源的天然随机性。比如放射性衰变、热扰动、电子电路噪声、光源噪声、电子振荡器频率抖动、量子噪声等物理噪声，人们无法用一个简单的公式估计它们，具有无法预测的随机性。最简单比如抛骰子、掷硬币等试验，产生的数列可以认为是真随机数，但是由人工方法产生随机数的速度慢，随机性不高且易受到外界因素干扰。后来，佩特里在2000年通过电路热噪声源放大的方法得到了速率为1.4Mbit/s的随机序列；M.Bucci等人在2003年通过在低频振荡器与噪声放大器的反馈补偿电压，得到了10Mbit/s的高质量随机数；2010年B.Qi等人利用延迟的自外差法对半导体激光器的相位噪声进行测量，得到500Mbit/s的随机序列。当随机数列的质量得到保证的同时，随机数发生器产生随机序列的速度也在不断加快，近年出现的量子随机数发生器速度甚至达到了Gbit/s的量级。然而，无论是基于电路噪声还是量子噪声的随机数发生器，都有一个共同的缺点：关键元件的尺寸相对大，无法适应现在可穿戴、微型化的电子产业趋势。