一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，包括隨機噪聲生成器，AD(模擬到數(shù)字)采樣器，噪聲轉(zhuǎn)化器和序列發(fā)生器。本發(fā)明的特點是利用片內(nèi)溫度傳感器，作為真隨機數(shù)生成器的噪聲源，通過AD采樣將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，對采樣得到的數(shù)字信號進行噪聲提取轉(zhuǎn)化，得到一組真隨機序列，最后通過序列發(fā)生器對多組隨機序列組裝，產(chǎn)生任意比特的真隨機數(shù)。由于采用片內(nèi)的噪聲信號作為真隨機數(shù)的信號源，具有隨機和不可預(yù)測等特性，產(chǎn)生的隨機數(shù)分布均勻，符合不相關(guān)等特性，是一種高質(zhì)量的真隨機數(shù)。本發(fā)明是利用集成電路實現(xiàn)的片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，利用了芯片設(shè)計的流水線，同步處理和資源復(fù)用等技術(shù)，具有成本低，穩(wěn)定性好，速率快，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
【專利說明】一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，屬于安全領(lǐng)域，通信領(lǐng)域及集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及在芯片內(nèi)部實現(xiàn)真隨機數(shù)生成器的設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0002]在安全領(lǐng)域和通信領(lǐng)域中，對高質(zhì)量真隨機數(shù)的需求與日俱增。對于大部分加密系統(tǒng)而言，隨機數(shù)的性能決定了所使用密鑰和協(xié)議參數(shù)的安全性。
[0003]使用軟件算法實現(xiàn)的偽隨機數(shù)，不可避免地具有周期性和可預(yù)測性等特征，存在可被攻擊的安全隱患，因此使用偽隨機數(shù)的安全系統(tǒng)必然存在性能瓶頸。
[0004]為了獲取真隨機數(shù)，現(xiàn)有的一種方式是芯片外接真隨機數(shù)發(fā)生裝置，雖然解決了偽隨機數(shù)問題，但存在成本高，速率慢，電路復(fù)雜等問題。
[0005]為了獲取不可預(yù)測的真隨機數(shù)，就需要使用自然界存在的物理噪聲，如電路的熱噪聲。本發(fā)明旨在芯片內(nèi)部實現(xiàn)一種低成本、高質(zhì)量的真隨機數(shù)發(fā)生器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:本發(fā)明公開了一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，利用片內(nèi)溫度傳感器，作為真隨機數(shù)生成器的噪聲源，通過AD采樣將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，對采樣得到的數(shù)字信號進行噪聲提取轉(zhuǎn)化，得到一組隨機序列，最后通過序列發(fā)生器對多組隨機序列進行排列組合，產(chǎn)生任意比特的真隨機數(shù)。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，包括:
[0008]隨機噪聲生成器,用于產(chǎn)生帶隨機噪聲的模擬信號；
[0009]AD采樣器，用于對帶隨機噪聲的模擬量進行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；
[0010]噪聲轉(zhuǎn)化器，用于對采樣得到的數(shù)字信號進行噪聲提取轉(zhuǎn)化，得到一組原始真隨機序列；
[0011]序列發(fā)生器，用于對多組原始真隨機數(shù)序列進行排列組合，生成任意比特的真隨機數(shù)序列。
[0012]進一步地，所述隨機噪聲生成器為片內(nèi)溫度傳感器，在芯片內(nèi)部自帶溫度傳感器，無需連接額外模擬器件，很大程度上節(jié)省了真隨機數(shù)生成器的成本；所述的AD采樣器的比特位寬為W，溫度傳感器噪聲分量相對于實際溫度值來說，幅值較小，因此要求AD采樣器有較高的比特位寬(通常大于等于8比特)；所述噪聲轉(zhuǎn)化器完成對X次采樣后得到的數(shù)字信號進行噪聲提取轉(zhuǎn)化，其中X為大于等于2的任意整數(shù)。本發(fā)明采用的轉(zhuǎn)化方法為:提取原始數(shù)字信號的直流分量，通過直流分量和原始數(shù)字信號作比較，將噪聲信號轉(zhuǎn)化成一組X比特的真隨機數(shù)序列；可重復(fù)運行Y次上述過程，得到XXY比特真隨機序列，其中Y為大于等于I的任意整數(shù)；所述的序列發(fā)生器對XXY比特真隨機序列進行排列組合，生成任意比特的真隨機數(shù)。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:由于采用真實物理過程作為真隨機數(shù)的信號源，具有隨機和不可預(yù)測等特性，因此消除了偽隨機數(shù)的周期性和相關(guān)性等問題，產(chǎn)生的隨機數(shù)分布均勻，符合不相關(guān)等特性，是一種高質(zhì)量的真隨機數(shù)。本發(fā)明是利用集成電路實現(xiàn)的片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，利用了芯片設(shè)計的流水線，同步處理和資源復(fù)用等技術(shù)，具有成本低，穩(wěn)定性好，速率快，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的片內(nèi)真隨機數(shù)生成器的總體框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明實施例的硬件電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是本發(fā)明實施例的電路時序圖；
[0017]圖4是本發(fā)明實施例的電路工作流程圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實施例的實測數(shù)據(jù)分析圖；

【具體實施方式】
[0019]為了更加清晰地描述本發(fā)明的原理，結(jié)構(gòu)和優(yōu)點，以下結(jié)合附圖，從方法原理，硬件電路，實現(xiàn)流程和實測數(shù)據(jù)分析等方面，對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。此處所描述的具體實施內(nèi)容僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明公開了一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，利用片內(nèi)溫度傳感器，作為真隨機數(shù)生成器的噪聲源，通過AD采樣將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將原始數(shù)字信號中的噪聲分量轉(zhuǎn)化成一組真隨機序列，最后通過序列發(fā)生器，產(chǎn)生任意比特的真隨機數(shù)。
[0021]圖1給出了本發(fā)明的片內(nèi)真隨機數(shù)生成器的總體框圖，詳述如下:
[0022]片內(nèi)真隨機數(shù)生成器包括:
[0023]隨機噪聲生成器100,包含片內(nèi)溫度傳感器,用于產(chǎn)生帶隨機噪聲的模擬信號；
[0024]AD采樣器200，用于對隨機噪聲生成器100輸出的模擬信號進行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;
[0025]噪聲轉(zhuǎn)化器300，用于對AD采樣器200輸出的數(shù)字信號進行處理，提取出直流分量，再通過原始數(shù)字信號和直流分量作比較，得到一組原始真隨機序列；
[0026]序列發(fā)生器400，重復(fù)利用裝置100?300，得到多組原始真隨機序列，并完成對序列的組合排列，生成任意比特的真隨機數(shù)。
[0027]在噪聲轉(zhuǎn)化器300中提取直流分量時，本實施例中采用對多個AD采樣值進行統(tǒng)計求平均的方式實現(xiàn)。
[0028]對片內(nèi)溫度傳感器的X次采樣結(jié)果Tad?？梢钥醋鲗嶋H溫度值TMal和隨機噪聲Imise的耦合，即 Tadc (n) = Treal+Tnoise (η)，η = O, I, 2，3，…，(Χ_1)。
[0029]對X次采樣結(jié)果進行統(tǒng)計求平均，可以算出采樣值的直流分量:
[0030]T = ΣILo1CTreaI+Tn0)se(i)} _ ZjLp1 Trea] +EjLp1 Tno el J _ 丁 + O TnoiseM
dcXXre 3.1X 。
[0031]Tadc(n)-Tdc= Tnoise〔n) UTxnoise[i〕, n= 0,1,2,3,…，〔X — I〕，由此可見，溫度采樣值和其直流分量的比較可以認(rèn)為是隨機噪聲和噪聲期望的比較。而從隨機噪聲的均勻分布特性可以得出，比較結(jié)果是真隨機數(shù)。
[0032]為了方便實現(xiàn)，本實施例中采用如下設(shè)置:X = 2N, Y = M0
[0033]圖2給出了本發(fā)明實施例的硬件電路結(jié)構(gòu)圖，針對部分內(nèi)容詳述如下:
[0034]本實施例中各模塊的工作時鐘，統(tǒng)一由時鐘管理模塊500提供，所有數(shù)字邏輯采用同步處理，保證了信號處理的穩(wěn)定性。
[0035]噪聲轉(zhuǎn)化器300包含:
[0036]模2n計數(shù)器301，加法器302，數(shù)據(jù)緩存寄存器組303，寄存器304，平均值鎖存器305，右移邏輯306和數(shù)字比較器307。
[0037]加法器302和寄存器304組成數(shù)據(jù)累加器；AD采樣器200的輸出數(shù)據(jù)在輸入到累加器同時，寫入數(shù)據(jù)緩存寄存器組303 ;模2n計數(shù)器301循環(huán)計數(shù)，具有以下功能:產(chǎn)生數(shù)據(jù)緩存寄存器組303的寫入地址，數(shù)據(jù)緩存寄存器組303輸出到數(shù)字比較器400的讀取地址，平均值鎖存器305的鎖存條件(計數(shù)值達到2N-1);平均值鎖存器305和右移邏輯306完成對累加結(jié)果求出平均值，得到2N次采樣的直流分量；數(shù)字比較器307，用于比較數(shù)據(jù)緩存寄存器組303輸出和平均值鎖存器305輸出，生成原始真隨機序列，本實施例采用的比較算法如下:大于直流分量為“1”，小于直流分量為“0”，等于直流分量做特殊處理(第奇數(shù)次等于為“ I ”，第偶數(shù)次等于為“O”)。
[0038]序列發(fā)生器400包含:
[0039]模M計數(shù)器401，移位寄存器402，數(shù)據(jù)鎖存器403和序列組裝器404。
[0040]移位寄存器402完成對噪聲轉(zhuǎn)化器300輸出隨機比特的移位寄存；當(dāng)完成2N比特移位寄存后，數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)鎖存器403中；同時，序列組裝器404完成對2n比特數(shù)據(jù)的排列組合；模1計數(shù)器401完成重復(fù)利用本實施例電路完成M次數(shù)據(jù)獲取組裝過程，最終獲得任意比特的真隨機數(shù)。
[0041]圖3給出了本發(fā)明實施例的電路工作時序圖，可以看到本實施例采用了流水線技術(shù)，并充分利用了同一套硬件資源，具有很好的穩(wěn)定性高，成本低等優(yōu)點。
[0042]圖4所示為本發(fā)明實施例的電路工作流程圖，給出了利用本發(fā)明產(chǎn)生MX2N比特真隨機序列的工作流程，詳述如下:
[0043]步驟1:初始化，計數(shù)器301清零，計數(shù)器401清零，啟動片內(nèi)真隨機數(shù)發(fā)生器；
[0044]步驟2:計數(shù)器301循環(huán)計數(shù)，若計數(shù)到2N-1，進入步驟3 ；
[0045]步驟3:數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)鎖存器403，并完成數(shù)據(jù)組裝，進入步驟4 ;
[0046]步驟4:若計數(shù)器401計數(shù)到M-1，進入步驟5 ;否則，計數(shù)器401計數(shù)加1，進入步驟2;
[0047]步驟5:獲取任意比特真隨機數(shù)，關(guān)閉片內(nèi)真隨機數(shù)發(fā)生器。
[0048]圖5給出了實際測試得到連續(xù)2000個溫度信號后，按照實施例中方法處理所得到的噪聲信號的幅值圖，頻譜圖及相關(guān)性分析圖，可以看出，實測噪聲的互相關(guān)程度很低，具有良好的隨機性。
[0049]本發(fā)明采用真實物理過程作為真隨機數(shù)的信號源，具有隨機和不可預(yù)測等特性，因此消除了偽隨機數(shù)的周期性和相關(guān)性等問題，產(chǎn)生的隨機數(shù)分布均勻，符合不相關(guān)等特性，是一種高質(zhì)量的真隨機數(shù)。本發(fā)明是利用集成電路實現(xiàn)的片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，利用了芯片設(shè)計的流水線，同步處理和資源復(fù)用等技術(shù)，具有成本低，穩(wěn)定性好，速率快，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
[0050]以上實施例僅用具體實施說明本發(fā)明的實現(xiàn)過程和結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上可以有多種變化，這種基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的變化均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，包括: 隨機噪聲生成器，用于產(chǎn)生帶隨機噪聲的模擬信號； AD采樣器，用于對帶隨機噪聲的模擬量進行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量； 噪聲轉(zhuǎn)化器，用于對采樣得到的數(shù)字信號進行噪聲提取轉(zhuǎn)化，得到一組原始隨機序列； 序列發(fā)生器，用于對多組原始真隨機數(shù)序列進行組合排列，生成任意比特的真隨機數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，所述的隨機噪聲生成器包含:片內(nèi)溫度傳感器，無需連接額外模擬器件，很大程度上節(jié)省了真隨機數(shù)生成器的成本。
3.如權(quán)利要求1所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，所采用的AD采樣器的比特位寬為W，溫度傳感器噪聲分量相對于實際溫度值來說，幅值較小，因此要求AD采樣器有一定的比特位寬。
4.如權(quán)利要求1所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，所述的噪聲轉(zhuǎn)化器:從X次采樣溫度值得到的數(shù)字信號中，利用特定的方法將噪聲信號轉(zhuǎn)化成X比特的隨機序列，其中X可為大于等于2的任意整數(shù)。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，可重復(fù)運行Y次片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，得到XXY比特真隨機數(shù)，其中Y為大于等于I的任意整數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，所述的序列發(fā)生器:對XXY比特真隨機數(shù)進行序列組合，生成任意比特的隨機數(shù)序列。
7.如權(quán)利要求4所述的一種片內(nèi)真隨機數(shù)生成器，其特征在于，所述的噪聲轉(zhuǎn)化器所采用的噪聲轉(zhuǎn)化方法為:提取原始數(shù)字信號的直流分量，通過原始數(shù)字信號和直流分量作比較，得到一組真隨機序列。
【文檔編號】G06F7/58GK104133658SQ201410363819
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】韓景通, 陶建平, 王和國, 孫振瑋, 張永攀 申請人:江蘇宏云技術(shù)有限公司